Un surtido de palabras puede hacer poco sin la estructura de los libros para organizarlas. Y un surtido de libros puede hacer poco sin la estructura de una biblioteca para organizarlo. Las estructuras pueden no comprender el contenido de información de las palabras, pero podrían describirse como estructuras informativas por naturaleza de su capacidad para organizar y presentar la información codificada donde sea necesaria. ¿Podría funcionar mucho de lo que una vez fue descartado como «ADN basura» de esa manera?

Las bibliotecas modernas están cada vez más organizadas por máquinas que catalogan, clasifican y colocan información para los lectores. De la misma manera, el ADN depende de una gran cantidad de máquinas que leen los filamentos, reparan los filamentos, modifican las transcripciones y los envían a donde sea necesario en la célula. ¿No sería genial si la misma molécula de ADN que almacena información conceptual también funciona como un bloque de construcción para las paredes y los edificios de la biblioteca? Eso es lo que los científicos están descubriendo.

El globo de ADN
Investigadores de la Universidad de California, en San Diego, descubrieron que el ADN «tiene un papel inesperado en la arquitectura celular» y es lo suficientemente emocionante como para lanzar una fiesta. Bombea la espora de una bacteria como un globo.

Como unidad básica de la vida, la célula es uno de los componentes más estudiados de todos los organismos vivos. Sin embargo, los detalles sobre los procesos básicos, como la forma en que se forman las células, siguen siendo un misterio. Trabajando en la intersección de la biología y la física, los científicos de la Universidad de California en San Diego han realizado un descubrimiento inesperado en la raíz de la formación de células.

Como se informó en la revista Cell el 8 de febrero de 2018, los biólogos Javier López-Garrido, Kit Pogliano y sus colegas de la UC San Diego y el Imperial College de Londres encontraron que el ADN tiene un papel arquitectónico inesperado en la formación de las células de las bacterias.

Al estudiar la bacteria Bacillus subtilis, los investigadores utilizaron una serie de experimentos y tecnologías para revelar que el ADN, además de servir para codificar información genética, también «bombea» células bacterianas. [Énfasis añadido.]

Los científicos descubrieron que si el ADN no se transloca a la espora, la prepotencia no se infla. ¿Es este un ejemplo único de ADN que actúa como un elemento estructural? El primer autor, Javier López-Garrido, piensa que no. «El ADN es mejor conocido por ser la molécula con información genética», dice, «pero cada vez es más obvio que hace otras cosas que no están relacionadas con eso». El comunicado de prensa dice que su trabajo tiene relevancia para las células humanas, por ejemplo, «en términos de cómo se generan y se les da forma, así como las explicaciones de los procesos mecánicos básicos y la estructura del núcleo y las mitocondrias». Parece que esta función estructural se aplica ampliamente en muchas células, más allá de la instancia específica en que estudió la formación de esporas en esta especie de bacteria.

«Los biólogos tienden a pensar en el crecimiento celular siguiendo las rutas biosintéticas normales, pero encontramos una vía que no es normal, ya que no depende de los procesos que normalmente se requieren para el crecimiento«, dijo Pogliano, profesor de la Sección de Biología Molecular y el autor principal del periódico. «Todo lo que necesita para que crezca esta célula es inflarla con ADN y sus iones con carga positiva asociados, y la capacidad de producir más membrana para que la célula pueda crecer. Nada más parece ser requerido«.

El descubrimiento es un cambio de juego. La observación de que el ADN tiene un papel arquitectónico abre todo tipo de oportunidades de investigación para encontrar aún más diseño estructural en las células mediadas por el ADN.

«Es sorprendente cómo recién estamos empezando a arañar la superficie de cómo la física afecta a los organismos vivos», dijo Pogliano. «Este es un ejemplo único de una propiedad biofísica muy simple que afecta la forma de la célula e ilustra el valor de los físicos que trabajan estrechamente con los biólogos. Comprender cómo se cruzan la física y la biología es un área enorme para el crecimiento futuro».

La serpentera cromosómica
La última vez que mencionamos la proteína condensina, el «envoltorio de ADN», aprendimos que los científicos estaban tratando de descubrir si funciona como un motor molecular. «Sí», fue la respuesta en noviembre pasado. Los biólogos moleculares también descubrieron que era rápido, y sabían que causaba que el ADN formara bucles. ¿Pero es una extrusora de bucle? Chico, ¡lo es! Una imagen vale mas que mil palabras.

Observe cómo el poderoso motor molecular funciona en una hebra de ADN en un video de la Universidad de Tecnología de Delft.

Es tan impresionante: una célula viva puede empaquetar cuidadosamente una gran mezcla de ADN, de más de dos metros de largo, en pequeños cromosomas, mientras se prepara para la división celular. Durante más de un siglo, ha quedado claro que una célula puede hacerlo, pero los científicos han estado desconcertados durante décadas sobre cómo funciona el proceso. Investigadores del Instituto Kavli de la Universidad de Delft y EMBL Heidelberg ahora lograron por primera vez aislar y filmar el proceso, y presenciaron, en tiempo real, cómo un solo complejo de proteína llamado condensina se enrolla en el ADN para extruir un ciclo. Al extruir muchos de esos bucles en largas cadenas de ADN, una célula compacta eficazmente su genoma para que pueda distribuirse uniformemente a sus dos células hijas. Los científicos publicaron sus hallazgos en línea en Science First Release el 22 de febrero.

Moviéndose a 1.500 pares de bases por segundo pero usando solo una cantidad «modesta» de combustible ATP, la condensación convierte un espagueti de ADN en una organización compacta.

Estructura como cuadro de conexión manual
En un caso final de estructura de ADN con función, vemos cómo el empaquetamiento de ADN en una célula lo ayuda a actuar como un cuadro de conexión manual gigante. Las noticias del Instituto del Cáncer Huntsman de la Universidad de Utah describen cómo las proteínas y el ADN trabajan en armonía para «organizar el desarrollo».

Los investigadores demostraron que los cientos de genes importantes para controlar el desarrollo embrionario están empaquetados de manera única en el embrión temprano, e incluso en los espermatozoides paternos, y que este empaque ayuda a controlar cómo, cuándo y dónde se expresan los diferentes genes en el embrión. Los hallazgos, publicados hoy en la revista Cell, tienen implicaciones significativas para comprender cómo se orquesta el desarrollo temprano, y proporciona un mecanismo sobre cómo el ambiente de los padres podría afectar la expresión de estos genes en la descendencia.

Los hallazgos dejan en claro que la estructura del ADN es parte de su función. No es solo una cadena de código. La forma en que se organiza su información genética en el espacio tridimensional. En un sentido real, hay un código estructural detrás del código informativo. Esto ayuda a explicar los grandes tramos de ADN no codificante que confundieron a los científicos cuando el genoma humano se descifró por primera vez:

Demostraron que los segmentos de ADN (genes) importantes para controlar el desarrollo están empaquetados en estructuras físicas que ayudan a activar y desactivar genes en diferentes etapas de desarrollo. Estas estructuras físicas sirven como plataformas que ayudan a activar o equilibrar estos genes, según sea necesario, para el desarrollo normal. Los investigadores también identificaron las máquinas de proteínas que colocan estas estructuras físicas en el genoma, y ​​las proteínas que las eliminan, para garantizar su colocación y función adecuadas.

Contrariamente al viejo «Dogma Central» que imaginaba al ADN llamando a todos los planos, ahora vemos que el «código genético» realmente consiste en que tanto el ADN como su maquinaria proteínica trabajen «en armonía» como equipo. Esto ayuda a explicar por qué un zigoto es totipotente, capaz de generar todos los tipos de células del adulto. Una gran parte de esa transformación depende de estructuras heredables, plataformas y conmutadores en los que participan tanto las máquinas de ADN como las de proteínas. El estado físico de los genes de toma de decisiones, encontraron, determina su papel en diferentes tipos de células. Parte de la información estructural se hereda aparte del ADN, señalan:

Los investigadores han intentado durante mucho tiempo comprender mejor cómo y si pueden empaquetarse los genes de mamá y papá de una manera que influya en la expresión y el desarrollo en el embrión, y cómo esos estados de empaquetado se mantienen o se reprograman durante el proceso de desarrollo. Este estudio identifica ese empaquetamiento, denominado variante de histona H2AFV, y proporciona un mecanismo para heredar el empaquetamiento de genes, y por lo tanto tiene implicaciones importantes para el potencial de desarrollo y la herencia. Sorprendentemente, aunque el empaquetamiento inicial de genes en los espermatozoides paternos difiere algo del empaquetamiento en el óvulo materno, el empaque materno reprogramó el mismo estado de empaquetamiento del genoma paterno, armonizando así los estados de empaquetamiento de los padres en el embrión temprano para llegar al mismo estado de desarrollo celular.

Estos son tiempos emocionantes para la biología molecular. Sabes que estás en el camino correcto cuando tu expectativa de más información funcional en el «ADN basura» se sigue haciendo realidad.

Artículo publicado originalmente por Evolution News

Imagen: Condensin va a trabajar, por la Universidad Tecnológica de Delft, captura de pantalla a través de YouTube.