lunes, 6 de febrero de 2012

Biología molecular de la ciencia ficción: La quinta base

En un capitulo de expediente X salía la agente Scully agitando un matraz erlenmeyer con una especie de sustancia viscosa y verde en el interior diciendo que era ADN alienígena. Sabían que era alienígena por que el ADN tenía 5 bases nitrogenadas, en vez de las 4 (adenina (A), guanina (G), citosina (C) y timina (T)) que tiene el ADN terrícola. Como pasa con muchas fantasías de los guionistas de expediente X, siempre hay alguien que se lo cree. Hay una magufada que lleva bastantes años recorriendo el mundo que habla de los niños Indigo, que se supone serían unos niños elegidos que habrían venido para dominar el mundo. Poco a poco se ha refinado y ya se habla de una segunda generación que serían los niños cristal, aunque con el tiempo que hace que circula esta idea alguno de los primeros niños índigo ya podría ser un viejo verde. Curiosamente este rollo ha surgido al calor de los movimientos New Age, pero lo de la raza elegida recuerda sospechosamente al nazismo. Bueno, pues algunos defensores de esta bobada sostiene que uno de los rasgos distintivos de estos niños indigo sería tener 5 bases en el ADN o como dice alguna aventurada, incluso cuatro más. Vamos a fantasear con esta hipótesis ¿Qué supondría que un ADN tuviera 5 bases?



El código genético, como veis, sobran tripletes


Para empezar si analizamos una muestra con el método habitual para secuenciar ADN (el método de Sanger), el experimento fallaría. La enzima utilizada no sería capaz de reconocer la base nueva y el experimento daría en blanco, con una mínima señal de unos nucleótidos que se pararía en cuando en la secuencia apareciera la 5ª base. Sin embargo el método antiguo, el químico o de Maxam y Gilbert si que funcionaría por que aquí no tenemos una enzima que va leyendo el ADN sino reacciones químicas específicas para cada nucleótido. Al correr el gel el investigador encontraría unos huecos correspondientes a la nueva base que le indicaría que en el ADN hay algo raro.






¿Que supondría que un organismo tuviera un ADN con cinco bases? Primer problema que hay que solventar, el ADN forma una doble cadena antiparalela, de forma que una A siempre se empareja con una T y una G con una C (y viceversa en los dos casos). La base nueva no tendría pareja. Esto nos abre tres posibilidades.

a) La base nueva es una base comodín que puede emparejarse con cualquier otra base. Absolutamente inviable. Cuando se duplica el ADN (algo que pasa cada vez que se forma una célula nueva) cada una de las hebras originales hace de molde para su nueva hebra complementaria. Cuando en el proceso de duplicación del ADN se encontrara la base nueva, la maquinaria pondría cualquiera de las bases antiguas o. Por lo tanto cada vez que apareciera esta base tendríamos un 75% de posibilidades de poner en la cadena complementaria una base diferente. Esto supondría una tasa de mutación en el genoma exorbitantemente alta, tanto que impediría la viabilidad del organismo. Hay que decir que la tasa de mutación de la duplicación del ADN es muy baja por eso los organismos se reproducen con normalidad, pero no es 0. Si lo fuera, no existiría la evolución.


b) La base nueva aparea consigo misma. Podría valer. Tendríamos un código genético con 5 nucleótidos, pero no tendría porque inducir mutaciones. Si una cadena fuera AGCXG, su complementaria inversa sería CXGCT, siendo X la 5ª base. Siguiente cuestión. ¿Como hibrida esta base? es decir, como se une con su pareja ¿de forma débil o fuerte? La pareja AT tiene dos enlaces, la GC tres. Esto implica que una cadena de ADN con muchas AT se separará fácilmente y necesitará menos temperatura para desnaturalizarse (separar las dos cadenas). Una cadena con muchas GC estará unida con mayor fuerza. En la naturaleza las zonas del genomas que no codifican genes (por lo que no tienen que abrirse para transcribirse),o los organismos que viven a temperaturas muy altas son ricos en GC, en cambio las zonas del genoma que tiene que abrirse fácilmente como las regiones que hay antes de cada gen, son ricas en AT.¿la nueva pareja cuantos enlaces tendría? 1 enlace ocasionaría ADN demasiado lábil y 4 una práctica imposibilidad de desenrollarse, por lo que no podría replicarse ni codificar información. Tendría que ser redundante y tener 2 o 3 enlaces. Desde este punto de vista, para la estructura y dinámica del ADN, no aportaría nada nuevo. Vamos, ninguna funcionalidad adicional
Fuente termal: genoma rico en GC


c) Una sexta base. Cada oveja con su pareja y la nueva base vendría con una amiga. Es válido todo lo que he dicho en el punto b), solo que X hibridaría con Y, por lo que la cadena complementaría a CXGCT sería AGCYG.


Descartamos la opción a) por inviable y nos quedamos con b) y c). En el genoma la información para fabricar proteínas se organiza en tripletes de bases, es decir, combinaciones de los 4 nucleótidos de 3 en 3. Por lo tanto el código genético actual tiene 4x4x4 64 combinaciones. En el caso b) tendríamos un código genético de 5x5x5 125 combinaciones y en el c) 6x6x6 216 combinaciones. Aquí está el quid de la cuestión. ¿Tendría alguna utilidad este aumento de posibilidades? Pues no, porque con el código actual nos sobra. Estos 64 tripletes codifican solo 19 aminoácidos y un iminoácido (la prolina) más tres señales de parada ¿Qué se hace con los que sobran? En el código hay sinónimos. Diferentes combinaciones pueden codificar el mismo aminoácido. De hecho los sinónimos suelen coincidir en los dos primeros nucleótidos, lo que parece querer decirnos que en el código genético ancestral los aminácidos se codificaban en dobletes, 4x4=16 combinaciones, un código que utilizarían las protocélulas y que es muy limitado por permitirnos menos aminoácidos.


La de aminoácidos raros que tendrá esta peña
En definitiva un código genético con más bases pero codificando los actuales aminoácidos solo supondría más gasto energético y un metabolismo más complicado, pero no aportaría ninguna funcionalidad nueva al organismo. Más que un ser superior tendríamos a un damnificado. Un consejo para guionistas y escritores de ciencia ficción: molaría más un organismo que tuviera 21 o 22 aminoácidos proteícos, puesto que ahí si que se dispararía su funcionalidad y ni siquiera habría que hacer cambios radicales en el código genético. Bastaría con que alguno de los codones que codifican sinónimos evolucionara para codificar un nuevo aminoácido. Seguro que a alguno de los X-men (en mis tiempos la patrulla X, que yo soy de los que leyó tebeos donde Dare Devil era Dan Defensor) o de los nuevos vengadores le pasa esto y todavía no se ha enterado.

PD1: El título es un obvio y merecido homenaje al maestro Sergio Palacios (@ondasolitaria) y su fisica en la ciencia ficción.

PD2: Con este post participo en la X edición del Carnaval de Biología, que en esta ocasión está en Murcia en casa Scientia.

PD3: y como no en la XII edición del Carnaval de Química que se alberga en el jovencísimo blog historias con química de María Docavo.

PD4: Y como suele pasar, la cienca va más rápido que nuestra imaginación. Por ingeniería genética ya se ha diseñado una bacteria con un código genético que codifica fosfoserina.
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20 comentarios:

  1. Gran entrada y gran explicación, si señor.

    Me ha gustado mucho y no dudes que la parafrasearé cuando me pregunten por el código genético o por los mutantes mis alumnos.

    Muy buena.

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  2. Muchas gracias por tu contribución al carnaval, JM. Una muy buena explicación con un título fantástico.

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  3. En mi modesta opinión, mucho mejores y más interesantes estos temas divulgativos que los estériles, pueriles y aburridos (para mí) enfrentamientos con Greenpeace (o viceversa).

    En cuanto al post de hoy, tus elucubraciones son divertidas. Como comentario, seguro que sabes que en la naturaleza (terrestre) hay varios aminoácidos "non-standard" además de los 20 convencionales, siendo los más importantes la selenocisteína y la pirrolisina. También imagino que sabes que se han desarrollado unos 40 aminoácidos no naturales, sintetizables mediante recodificación, y que hay quien ha construido codones de 5 o 6 bases.

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  4. Aminoácidos non standard lo se, pero habría que distinguir si estan codificados o son una modificación post-trasncripcional de alguno convencional.

    Lo de los aminoácidos no naturales y recodificables supongo que va en la línea de la última postdata, y lo de las 5 ó 6 bases ahora que lo nombras recuerdo haberlo leído hace tiempo, pero en el momento de escribir el post no lo tenía presente. gracias por la info.

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  5. La selenocisteína (abreviada como Sec o U) y la pirrolisina (abreviada como Pyl o O) están codificadas y por tanto se incorporan cotraduccionalmente (es decir, no son modificaciones postraduccionales). Curiosamente, en ambos casos el codón corresponde a un codón que suele ser de terminación. En el caso de la Sec es UGA y para Pyl es UAG.

    La pregunta interesante es cómo un mismo codón, p. ej., UGA, es leído bien como de terminación o bien como codificante del tRNA de Sec. La respuesta está en la estructura secundaria de los segmentos UTR situados en 3', cerca del codón. Dependiendo de si se forma esa estructura (y por tanto dependiendo de la secuencia que determina esa estructura secundaria), la célula puede escoger que UGA sea leído como Sec.

    En este enlace tienes información y un buscador (basado en un algoritmo desarrollado por Roderic Guigó) para predecir selenogenes y selenoproteínas:

    http://genome.unl.edu/SECISearch.html.

    Saludos.

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  6. Gracias por la info, no tenía este dato.

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  7. Hombre, se asume, que si un marciano o mutante X de los guays o algo por el estilo tiene mas bases en su ADN es por que van acompañadas de unos cuantos (o decenas de) aminoácidos diferentes mas (por esto de conservar la degeneración del Código genético que nos salva alguna que otra PCR). Y por supuesto de un cambio profundo a nivel molecular: Empezando por comprar nos ribosomas y tRNAs nuevos que sepan leer en chino mezclado con ruso y vasco... en fin, un jaleo.

    Aunque para hacer las Asunciones, primero hay que saber que existen unos límites...por eso los magufos triunfan tanto...


    Muy buen post, me ha molao hombre!

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  8. ¡Cuánto daño ha hecho Expediente X y CSI! :-D

    Muy buena explicación JM!! Va más allá del código genético degenerado. Estoy de acuerdo con tu resolución, aunque sinceramente no me hubiera planteado un problema así. Curioso...

    Gracias a tapia por la información proporcionada. Interesante.

    Gran post. Me ha gustado!

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  9. Buenas, ya se que no tiene mucho que ver pero quería saber vuestra opinión acerca de la tecnología "marker-assisted selection" o MAS, utilizada en la mejora genética vegetal. Si se está utilizando en España y sus resultados.
    saludos

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    1. Se está utilizando en españa, es una herramienta útil para la gente que hace mejora clásica por que después de los cruces les prmite ver más fácilmente por donde van los caracteres que quieren tener en la misma planta, pero no es, como he leido en el blog de algún grupo ecologista, una alternativa a los OMG ¿Por qué? Bueno, por que tienes que seguir cruzando, segregando y esperando que lo genes se combinen por azar, o mutageneizar a lo bestia y a ver que sale. No tien las ventajas de la ingenierñia genética de cambios precisos y concretos, poder saltar la barrera entre especies y tiempos cortos. Viene a ser como ponerle una marcha más a una bicicleta, la bicicleta irá mejor y más rápida, pero el coche seguirá adelantándola.

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    2. Buenas Pedro, yo he trabajado en MAS y en general uno de los principales objetivos para los que actualmente se aplica es localizar caracteres de herencia compleja, por ejemplo QTLs o para detectar genes implicados en tolerancias o resistencias (temperaturas, enfermedades,...) de las que aún no se conoce su comportamiento. En este sentido, tal y como dice JM Mulet, no sustituye a los OMG, sino que se aplica como paso previo para localizar sobre qué genes hay que actuar (transferencia, knock-out, etc) y sobre todo en especies cuyo genoma aún no es bien conocido pero del que se disponen marcadores moleculares o se emplean marcadores aleatorios tipo RAPDs o ISSR.
      La técnica, aunque ha sido muy aplicada, se suele combinar con otras en la actualidad, de modo que en los estudios iniciales localices el gen, o en este caso, el marcador molecular asociado a el carácter de interés, para posteriormente seleccionarlo en los cruzamientos posteriores (estos cruzamientos pueden acelerarse con técnicas in vitro). Es una metodología clásica, que puede apoyarse en otras o, si hay presupuesto, cambiarse por otra. Pero si se sigue usando en España.

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    3. Bueno, gracias por las respuestas. Quizá si que sea una alternativa a los OMG, más lenta eso sí.
      Saludos

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    4. Lo de que la MAS es una alternativa a los OMG lo vi una vez en el blog de greenpeace y casi me muero de la risa. Es como decir que el coche de caballos es una alternativa al transporte aéreo. Ademas que lo presentaban como algo nuevo, cuando realmente no lo es. Fíjate en el matiz que tú has preguntado si YA se utiliza en España y Sonia te ha contestado que TODAVÍA se utiliza.

      Si los de Greenpeace supieran un poco de lo que hablan sabrían que si que hay tecnologías alternativas a los OGM (como el TILLING, cisgenesis, etc...). hay que remarcar algo importante, no aportan realmente nada y las variedades no son mejores que las OGM, en el mejor de los casos iguales, y más que una tecnología diseñada para mejorar la agricultura es una tecnología para sortear el laberinto administrativo de autorizar un OGM.

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    5. La selección Asistida por Marcadores también es muy útil cuando se hacen introgresiones de transgenes en una variedad elite. Hay plantas más fáciles de transformar, pero esas no son las mejores así que hay que cruzarlas luego con variedades elite para la producción. También se usa muchísimo para la creación de eventos acumulados (stacks), es decir la introducción de varios transgenes en una variedad por medio del cruzamiento de dos variedades o líneas transgénicas.

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    6. Buenas de nuevo, el coche de caballos puede ser una alternativa al transporte aéreo. Todo depende de a dónde quieras ir y la prisa que tengas.
      Me gustaría saber algo más sobre esas tecnologías alternativas a los OGM, para mí, si son alternativas a los transgénicos, aportan mucho.
      Saludos

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    7. lo tenía en la agenda, cuando tenga algo de tiempo escribiré un post, pero ta te digo que se podría titular: "formas de cogérsela con papel de fumar". Te pongo un ejemplo. El corán prohibe el dinero que no venga del trabajo, por lo tanto los intereses y las inversiones están prohibidas. Bueno, pues los bancos para árabes firman unos contratos alambicados en los que se supone que el que contrata el fonde de inversión esta trabajando para el banco, para cumplir con la religión e invertir el dinero. Toda esta tecnología es lo mismo, pierdes tiempo y dinero para llegar al mismo sitio (o peor). Una pérdida de recursos y un clavo más en el ataud de nuestra agricultura, por que ya te digo que en Estados unidos o en Asia no se paran con tonterías, y más si luego les compramos los productos elaborados.

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    8. Hola, ya te digo que es una cuestión de percepción. Coincido que lo que no tiene sentido es prohibir en Europa para importar de otras regiones. Esa es la PAC que tenemos por desgracia.
      Me temo que el clavo en nuestra agricultura tiene más que ver con la distribución concentrada en unas pocas manos y con el modelo de monocultivos intensivos esquilmantes. No se porque milagro, de momento, nos hemos librado de los transgénicos, que ahondan en ese modelo en mi opinión, totalmente equivocado.
      En fin, ya te digo que son diferentes percepciones sobre el mismo problema.
      Nos leemos, saludos

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  10. Me ha gustado tu reflexión.
    Creo que nos gusta siempre complicarlo todo, y es mucho más llamativo decir que los alienígenas debería tener "más" que nosotros... Nuestro "sistema hereditario" es un compleja maquinaria con etapas sucesivas que dependen una de otra, como tu bien explicas, y yo creo que si existiera otro sistema de vida en algún sitio, me inclinaría más a una modificación total de la herencia, o una simplificación del nuestro... pero mi preocupación se queda en intentar entender el ADN de aquí, que avance la ciencia y la genética terrícola (humana y de todos los seres vivos de este nuestro planeta) y si eso que ya venga quién quiera y nos diga cómo funcionan en su planeta. Aunque nos guste complicarlo en películas, series y cómics, aún no somos capaces de "desenmarañar" nuestro propio código...!

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  11. La sinonimia de los codones tiene una utilidad practica: minimizar los efectos de las (inevitables) mutaciones: un cambio en un codon solo tiene un 33% de posibilidades de acabar en cambio de aminoacido (y que salga la proteina turuleta).
    Mas de un 33% seria mucho y menos seria positivo si no fuera porque tener muchos nucleotidos diferentes rulando por ahi seria un follon metabolico.
    Asi que la naturaleza ha seleccionado un sabio termino medio.
    Este mecanismo de proteccion no queda bien explicado en el post y yo creo que es interesante...

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  12. No estoy del todo de acuerdo aunque quizás solo sea cuestión de matiz. La proporción no sería del 33% sino menor, por que solo en 6 casos es válido cualquier aminoácido en el último codón. Luego, por lógica, codones de 4 nucleótidos muy degenerados serían un seguro de vida contra mutaciones, bajando la tasa mogollón, pero claro el costo energético no compensaría. De todas formas la principal crítica a este modelo de que un código genético degenerado es una estrategia general para prevenir mutaciones es el codon usage. Hay organismos que utilizan preferentemente un triplete y otros organismos que utilizan otro, lo que inplica que una mutación en el último nucleótido del codón, aunque fuera sinónimo, se va a expresar con dificultad. De hecho en ingeniería genética es una de las primeras cuestiones que tienes que considerar, que el uso de tripletes sea compatible entre las dos especies, sino, te toca modificar la secuencia.

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