{"id":72984,"date":"2001-07-01T00:00:00","date_gmt":"2001-07-01T00:00:00","guid":{"rendered":"http:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/2001\/07\/01\/las-reglas-dinamicas-de-la-evolucion\/"},"modified":"2013-01-11T22:29:00","modified_gmt":"2013-01-12T00:29:00","slug":"las-reglas-dinamicas-de-la-evolucion","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/las-reglas-dinamicas-de-la-evolucion\/","title":{"rendered":"Las reglas din\u00e1micas de la evoluci\u00f3n"},"content":{"rendered":"

Hace casi 150 a\u00f1os, Charles Darwin revolucion\u00f3 la biolog\u00eda con el libro\u00a0El Origen de las Especies<\/em>, en el cual sostiene que los seres vivos est\u00e1n sujetos a cambios y describe c\u00f3mo estos surgen, evolucionan y desaparecen a lo largo de la historia. Hace ya 40 a\u00f1os que se sospechaba que tambi\u00e9n habr\u00eda existido una evoluci\u00f3n en el c\u00f3digo gen\u00e9tico – presente en cada c\u00e9lula en el \u00e1cido desoxirribonucleico (ADN), que transmite las informaciones gen\u00e9ticas de una generaci\u00f3n a otra. Pero no hab\u00eda c\u00f3mo probarlo.<\/p>\n

Ahora existe una clave para entender ese proceso: un grupo coordinado por Jos\u00e9 Eduardo Martinho Hornos, del Instituto de F\u00edsica de S\u00e3o Carlos de la Universidad de S\u00e3o Paulo (USP), concluy\u00f3 un modelo matem\u00e1tico que ayuda a entender c\u00f3mo surgi\u00f3 la vida hace cerca de 4 mil millones de a\u00f1os, y describe cada etapa de los cambios del c\u00f3digo en el proceso evolutivo.<\/p>\n

El descubrimiento del c\u00f3digo gen\u00e9tico es relativamente reciente. Desde el inicio de la d\u00e9cada de 1950 se sab\u00eda que la mol\u00e9cula de ADN transmite las informaciones gen\u00e9ticas. Diez a\u00f1os despu\u00e9s se descubri\u00f3 que un c\u00f3digo presente en el ADN organiza el montaje de las prote\u00ednas que diferencian tejidos y constituyen los organismos. Qued\u00f3 claro que la informaci\u00f3n contenida en el ADN es transmitida por 64 conjuntos, cada uno de ellos formado por tres de las cuatro bases nitrogenadas – adenina (A), citosina (C), timina (T) y guanina (G). Esos conjuntos, llamados codones, constituyen las unidades del c\u00f3digo gen\u00e9tico.<\/p>\n

El abordaje del grupo de Hornos, presentado en diciembre de 1993 en la\u00a0Physical Review Letters<\/em>, y merecedor de un editorial de Nature dos semanas despu\u00e9s, sostiene que, en el comienzo del proceso evolutivo, los 64 codones les permit\u00edan a los organismos aprovechar menos amino\u00e1cidos – las mol\u00e9culas que constituyen las prote\u00ednas – que los que aprovechan actualmente. La diferenciaci\u00f3n se habr\u00eda producido en cuatro etapas: primeramente tan solo 6 amino\u00e1cidos eran aprovechados, despu\u00e9s 14, luego 16 y finalmente los actuales 21 amino\u00e1cidos que forman cualquier organismo vivo.<\/p>\n

El resultado apunta en la direcci\u00f3n de estudios sobre los amino\u00e1cidos primordiales, que ya se cre\u00eda que eran seis. Falta explicar c\u00f3mo sucedi\u00f3 la diferenciaci\u00f3n. “Tenemos que cooperar. Cada \u00e1rea tiene sus propias evidencias”, dice el matem\u00e1tico y f\u00edsico alem\u00e1n Frank Michael Forger, del Instituto de Matem\u00e1tica y Estat\u00edstica (IME) de la USP, que integra el equipo desde 1994. El grupo pretende incorporar a otros investigadores, para probar hasta qu\u00e9 punto las reglas matem\u00e1ticas que propone fueron cumplidas.<\/p>\n

Dos bailarines
\n<\/strong>Los investigadores se valieron de teor\u00edas matem\u00e1ticas complejas para exponer sus ideas – en un art\u00edculo de 90 p\u00e1ginas publicado en 1999 en el\u00a0International Journal of Modern Physics<\/em> -, pero explican la formaci\u00f3n del c\u00f3digo gen\u00e9tico con base en un concepto bien simple: simetr\u00eda. Todo no pasar\u00eda de una o m\u00e1s transformaciones – de un punto, de una recta o de un objeto – alrededor de un eje.<\/p>\n

Pero es una simetr\u00eda din\u00e1mica, como la producida por dos bailarines en un palco -ejemplifica Hornos: ambos ejecutan movimientos sim\u00e9tricos, espejados, a partir de una l\u00ednea imaginaria central. “Orden y simetr\u00eda no significan situaciones fijas, sino lo contrario, significan movimiento”, dice. Si uno de los bailarines se mueve m\u00e1s despacio que el otro o tropieza, la simetr\u00eda se rompe. Fue justamente ese rompimiento de la armon\u00eda o quiebra de la simetr\u00eda, capaz de deshacer apenas un poco el orden inicial, lo que los investigadores detectaron como siendo el origen de los cambios en el c\u00f3digo gen\u00e9tico.<\/p>\n

Momento cero
\n<\/strong>Para combinar los 64 codones con los 21 amino\u00e1cidos y demostrar la rotura de simetr\u00eda, se valieron de la Teor\u00eda de los Grupos, una parte de la matem\u00e1tica que ense\u00f1a c\u00f3mo realizar operaciones seguidas de un conjunto finito o infinito de elementos. Enseguida verificaron que el c\u00f3digo gen\u00e9tico no podr\u00eda haberse formado por azar, ya que las posibilidades de combinaci\u00f3n aleatoria de los 64 codones con los 21 amino\u00e1cidos son del orden de 10 elevado a la 70 potencia -o el n\u00famero 1 seguido de 70 ceros. “El universo no tendr\u00eda tiempo para experimentar todas esas posibilidades y dif\u00edcilmente acertar\u00eda ya en las primeras tentativas”, concluye Forger.<\/p>\n

Seg\u00fan el modelo al cual llegaron, hace cuatro mil millones de a\u00f1os, los codones estaban en grietas volc\u00e1nicas o en el oc\u00e9ano, mezclados con amino\u00e1cidos formados al azar. Era el momento cero de la vida, cuando los codones a\u00fan no se hab\u00edan diferenciado: no constitu\u00edan amino\u00e1cidos, no ten\u00edan funci\u00f3n biol\u00f3gica. Solamente empezaron a diferenciarse y a dirigir el montaje de los amino\u00e1cidos despu\u00e9s de la primera ruptura de simetr\u00eda. A partir de all\u00ed, no funcionaron m\u00e1s – o no danzaron m\u00e1s – del mismo modo y el ADN comenz\u00f3 a sintetizar prote\u00ednas. Terminaba el estado prebi\u00f3tico, cuando apenas exist\u00edan rocas, oc\u00e9anos y la atm\u00f3sfera primitiva, y comenzaba la s\u00edntesis bi\u00f3tica – un conjunto de mecanismos que permite que los codones pasen hacia adelante las informaciones sobre la producci\u00f3n de prote\u00ednas. Resultado: surgieron las primeras c\u00e9lulas.<\/p>\n

Los codones, que inicialmente eran tan solo un grupo, formaron seis, correspondientes a los amino\u00e1cidos con los cuales pod\u00edan lidiar. La diferenciaci\u00f3n prosigui\u00f3: otra quiebra de simetr\u00eda origin\u00f3 14 agrupamientos de codones. Surgieron otros dos en el tercer estadio y cinco en el cuarto y \u00faltimo, cuando los 64 codones se organizaron en 21 agrupamientos: \u00e9se es el c\u00f3digo gen\u00e9tico actual. “La diferenciaci\u00f3n de los codones ocurri\u00f3 hace cuatro mil millones de a\u00f1os, en un per\u00edodo relativamente corto, que no debe haber superado los 400 millones de a\u00f1os”, afirma Forger.<\/p>\n

La ruptura de simetr\u00eda aparece en teor\u00edas que describen la formaci\u00f3n del Universo por la diferenciaci\u00f3n de las fuerzas o interacciones entre part\u00edculas subat\u00f3micas, todas inicialmente unificadas. \u00bfPero por qu\u00e9 pensar en simetr\u00eda en la organizaci\u00f3n y en el funcionamiento de las tr\u00edadas de bases del ADN? Para Forger, “el principio de simetr\u00eda es una de las metodolog\u00edas que pueden establecer un poco de orden en el proceso de evoluci\u00f3n en general”.Actualmente son n\u00edtidas al menos dos semejanzas entre los modelos de rotura de simetr\u00eda que explican la organizaci\u00f3n de las part\u00edculas at\u00f3micas y el c\u00f3digo gen\u00e9tico: ambos tienen un punto final definido: no pueden crear otras cosas m\u00e1s all\u00e1 de lo que ya existe – y dif\u00edcilmente puedan retroceder a estadios anteriores.<\/p>\n

Sorpresas
\n<\/strong>Pero hace algunos a\u00f1os, lo que era obvio para los f\u00edsicos incomod\u00f3 a los bi\u00f3logos, pese a que algunos de ellos creyeran que el c\u00f3digo gen\u00e9tico se habr\u00eda formado a partir de estructuras m\u00e1s simples, hasta que por alguna raz\u00f3n la diferenciaci\u00f3n habr\u00eda cesado – el congelamiento del c\u00f3digo, ahora caracterizado. “Nadie cre\u00eda que hubiera simetr\u00eda en sistemas vivos”, recuerda Hornos, cuyo estudio inicial fue sucesivamente rechazado por revistas de bioqu\u00edmica y evoluci\u00f3n, hasta que fue aceptado por\u00a0Physical Review Letters<\/em>.<\/p>\n

Un trabajo reciente, del cual participaron L\u00edgia Braggion y M\u00e1rcio Magini, tambi\u00e9n de la USP de S\u00e3o Carlos, muestra que el c\u00f3digo gen\u00e9tico patr\u00f3n -del n\u00facleo de casi todas las c\u00e9lulas- tiene una simetr\u00eda exacta desde que se form\u00f3 hace cerca de 3,8 mil millones de a\u00f1os.<\/p>\n

Se verific\u00f3 la misma simetr\u00eda en la gran mayor\u00eda de los c\u00f3digos mitocondriales, contenidos en los compartimientos celulares llamados mitocondrias. El ADN mitocondrial emplea menos de diez amino\u00e1cidos. Se trata de un grupo de c\u00f3digos gen\u00e9ticos denominados desviantes. Existe por lo menos una decena de ellos, encontrados con ligeras variaciones en las mitocondrias de bacterias, hongos, animales y plantas, y el c\u00f3digo gen\u00e9tico en el n\u00facleo de las c\u00e9lulas de cada uno es generalmente id\u00e9ntico.<\/p>\n

\u00bfPero qu\u00e9 vino primero, el c\u00f3digo gen\u00e9tico patr\u00f3n o los mitocondriales? En busca de esa respuesta, que ser\u00eda una peque\u00f1a pieza m\u00e1s para armar el rompecabezas del origen de la vida, los investigadores de la USP usaron el arsenal matem\u00e1tico del que dispon\u00edan para ver si era posible generar los c\u00f3digos gen\u00e9ticos mitocondriales en paralelo al patr\u00f3n. La tentativa no funcion\u00f3 naturalmente: exig\u00eda caminos de evoluci\u00f3n distintos para cada caso.<\/p>\n

El segundo abordaje tuvo \u00e9xito: “Observamos las diferencias m\u00e1s detenidamente y notamos que era m\u00e1s coherente interpretar los cambios en los c\u00f3digos gen\u00e9ticos mitocondriales a partir del c\u00f3digo gen\u00e9tico patr\u00f3n”, cuenta Hornos. “A veces, los cambios tienden incluso hacia la retroactividad, que procura restablecer parte de la simetr\u00eda perdida.”<\/p>\n

La conclusi\u00f3n matem\u00e1tica de que los c\u00f3digos gen\u00e9ticos desviantes se formaron a partir del c\u00f3digo patr\u00f3n coincide con estudios biol\u00f3gicos recientes. Syuozo Osawa, de la Universidad de Nagoya, Jap\u00f3n, autor de\u00a0Evolution of the Genetic Code<\/em>, estima que el desv\u00edo m\u00e1s antiguo ocurri\u00f3 hace aproximadamente mil millones de a\u00f1os, bastante despu\u00e9s de la formaci\u00f3n del c\u00f3digo patr\u00f3n. En este punto, el modelo matem\u00e1tico y las investigaciones biol\u00f3gicas se tocan: ambos presentan a tendencia al cambio y al mismo tiempo la conservaci\u00f3n. “En la l\u00ednea que lleva a los vertebrados, la evoluci\u00f3n preserva la simetr\u00eda del c\u00f3digo patr\u00f3n y a veces incluso procura restaurar una simetr\u00eda m\u00e1s amplia y m\u00e1s antigua”, dice Hornos.<\/p>\n

Principio universal
\n<\/strong>Ese tipo de simetr\u00eda no es exclusivo del c\u00f3digo gen\u00e9tico. Es muy semejante a la de la tautomer\u00eda, fen\u00f3meno que hace que dos mol\u00e9culas con los mismos componentes tengan propiedades diferentes de acuerdo con las posiciones de grupos espec\u00edficos de \u00e1tomos. Las comparaciones van m\u00e1s all\u00e1: “La noci\u00f3n de simetr\u00eda”, dice Hornos, “es tan antigua como la cultura humana. Los mayas nunca vieron nada de los egipcios, pero adoptaron la misma noci\u00f3n de simetr\u00eda cuando construyeron sus pir\u00e1mides”. Arte sumerio, arquitectura tailandesa o \u00e1rabe, en las artes de todos los pueblos en todos los tiempos est\u00e1 presente la simetr\u00eda, un principio universal.<\/p>\n

El trabajo vislumbra perspectivas de aplicaci\u00f3n en la medida que representa cada cod\u00f3n con una serie de n\u00fameros, correspondientes a sus coordenadas en una figura geom\u00e9trica tridimensional que describe la diferenciaci\u00f3n del c\u00f3digo gen\u00e9tico. Es una especie de documento de identidad, que, seg\u00fan Hornos, puede ayudar en la b\u00fasqueda de las consecuencias biol\u00f3gicas del modelo, medidas, por ejemplo, de modo a\u00fan puramente especulativo, de acuerdo con la producci\u00f3n de prote\u00ednas anormales que causen enfermedades. Como todo modelo, \u00e9ste brinda algunas respuestas, pero no dice todo. Persiste a\u00fan una duda esencial: qu\u00e9 es lo que provoca la rotura de simetr\u00eda, \u00bfqu\u00e9 es lo que hace que el c\u00f3digo gen\u00e9tico se diferencie? La respuesta quiz\u00e1s demore un poco.<\/p>\n

El desciframiento del c\u00f3digo
\n<\/strong><\/em>En 1953, el ingl\u00e9s Francis Harry Compton Crick (1916-) y el norteamericano James Dewey Watson (1928-) descubrieron que la mol\u00e9cula del ADN que transmite las informaciones gen\u00e9ticas – un hallazgo que les valdr\u00eda el Nobel de Medicina en 1962. Enseguida fue colocada la cuesti\u00f3n sobre c\u00f3mo esas informaciones son le\u00eddas y traducidas en estructuras biol\u00f3gicas de manera tal que forman tejidos, desde las hojas de las plantas hasta la piel humana – lo que diferencia un tejido de otro son las prote\u00ednas que lo componen.<\/p>\n

El propio Crick y el sudafricano Sidney Brenner (1927-) resolvieron la enigma al descubrir, en 1961, el c\u00f3digo gen\u00e9tico presente en el ADN, que organiza el montaje de las prote\u00ednas. Por fin la cuesti\u00f3n se hac\u00eda clara: la informaci\u00f3n gen\u00e9tica contenida en el ADN es transmitida por medio de conjuntos de tres de las cuatro bases nitrogenadas – adenina (A), citosina (C), timina (T) y guanina (G) -, llamados codones, y que son las unidades del c\u00f3digo gen\u00e9tico.<\/p>\n

Combinadas de tres en tres, las cuatro bases forman 64 codones, que orientan el montaje de los amino\u00e1cidos en las prote\u00ednas. El c\u00f3digo gen\u00e9tico es el conjunto de los codones y los respectivos amino\u00e1cidos, reunidos en una tabla tan importante para los bioqu\u00edmicos como la tabla peri\u00f3dica para los qu\u00edmicos. Son los actores de un proceso que ocurre a todo momento en las c\u00e9lulas: enzimas espec\u00edficas identifican tramos de una mol\u00e9cula de \u00e1cido ribonucleico, el ARN mensajero, formado a partir de una de las dos cintas del ADN, y montan el amino\u00e1cido correspondiente. Los amino\u00e1cidos se encajan uno a uno hasta completar la prote\u00edna, a veces con millares de amino\u00e1cidos.<\/p>\n

Los 64 codones, como se comprob\u00f3 experimentalmente, corresponden a solamente 21 amino\u00e1cidos, incluida la llamada se\u00f1al de terminaci\u00f3n, que informa el momento de terminar la lectura del ARN mensajero. El mismo amino\u00e1cido, por lo tanto, est\u00e1 asociado a m\u00e1s de un cod\u00f3n – fen\u00f3meno conocido como degeneraci\u00f3n del c\u00f3digo gen\u00e9tico. La combinaci\u00f3n es peculiar: tres amino\u00e1cidos derivan de seis codones, cinco se forman a partir de cuatro, dos provienen de tres y nueve pueden ser producidos a partir de dos. Solamente dos amino\u00e1cidos, la metionina y el triptofano dependen solamente de un cod\u00f3n.<\/p>\n

La Teor\u00eda de los Grupos, creada por tres matem\u00e1ticos – el franc\u00e9s Evariste Galois (1811-1832), el noruego Marius Sophus Lie (1842-1899) y otro franc\u00e9s, Elie Joseph Cartan (1869-1951) -, abri\u00f3 millones de posibilidades de organizar los 64 codones con los 21 amino\u00e1cidos, sin salirse de los datos experimentales. Todas las respuestas tuvieron que ser examinada una por vez. Un trabajo arduo, solo concluido este mes, muestra que existen por lo menos diez modelos basados en el principio de rotura de simetr\u00eda que reproducen el c\u00f3digo gen\u00e9tico patr\u00f3n.<\/p>\n

La respuesta que se ha destacado es precisamente la propuesta originalmente por Hornos, lanzada en 1993, construida a partir del grupo simpl\u00e9tico Sp(6), as\u00ed bautizado por el matem\u00e1tico alem\u00e1n Hermann Klaus Hugo Weyl (1885-1955). El Sp(6) est\u00e1 constituido por transformaciones de objetos en seis dimensiones, que son abstracciones puras, pero pueden ser comparadas con las tres dimensiones del espacio f\u00edsico – ancho, largo y profundidad. Puede ser aplicado tambi\u00e9n a objetos en 64 dimensiones – los codones.<\/p>\n

Con base en la ideas de Weyl, que se sumaron a las de otro matem\u00e1tico alem\u00e1n, Felix Christian Klein (1849-1925), que exalt\u00f3 las conexiones entre la geometr\u00eda y la Teor\u00eda de los Grupos, los investigadores construyeron un modelo tridimensional con 64 puntos – o bolas, cada uno correspondiente a un cod\u00f3n. El resultado es un s\u00f3lido de 14 caras – ocho hex\u00e1gonos y seis cuadrados – con un octaedro regular que permite visualizar la rotura de la simetr\u00eda: las bolas pintadas de colores diferentes representan la diferenciaci\u00f3n de los codones en cada estadio.<\/p>\n

EL PROYECTO
\n<\/strong>La rotura de Simetr\u00eda y la Evoluci\u00f3n del C\u00f3digo Gen\u00e9tico
\nMODALIDAD
\n<\/strong>Proyecto tem\u00e1tico
\nCOORDINADOR
\n<\/strong>Jos\u00e9 Eduardo Martinho Hornos -Instituto de F\u00edsica de S\u00e3o Carlos, USP
\nINVERSI\u00d3N
\n<\/strong>R$ 115.696,93<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"Un modelo matem\u00e1tico que describe de qu\u00e9 manera se form\u00f3 el c\u00f3digo gen\u00e9tico y ayuda a develar el origen de los seres vivos","protected":false},"author":17,"featured_media":0,"comment_status":"closed","ping_status":"closed","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"_acf_changed":false,"_exactmetrics_skip_tracking":false,"_exactmetrics_sitenote_active":false,"_exactmetrics_sitenote_note":"","_exactmetrics_sitenote_category":0,"footnotes":""},"categories":[181],"tags":[],"coauthors":[5968],"class_list":["post-72984","post","type-post","status-publish","format-standard","hentry","category-ciencia-es"],"acf":[],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/72984","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/users\/17"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=72984"}],"version-history":[{"count":0,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/72984\/revisions"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=72984"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=72984"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=72984"},{"taxonomy":"author","embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/coauthors?post=72984"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}