¿Qué número le ponemos al gen?

En un post reciente comentaba que el criterio para poner el nombre a los genes no es único y que la comunidad de científicos que trabaja en cada organismo particular decide. En organismos unicelulares los genes suelen tener tres letras mientras que en organismos superiores normalmente son una palabra (que se puede abreviar), pero sin un criterio establecido que limite el número de letras. En bacterias además los genes aparecen ordenados, por lo que hay una letra que hace referencia a la posición física que ocupan. En organismos como la levadura además de las tres letras es obligatorio que lleven un número. De hecho es frecuente que genes diferentes compartan las mismas tres letras, pero que se diferencien únicamente por el número. ¿Qué significa el número? Pues la respuesta no es única, ya que puede significar varias cosas diferentes:


a) Orden en el genoma:
En eucariotas (organismos con núcleo) los genes no se agrupan físicamente por función como pasa en bacterias. Genes que participan en el mismo proceso pueden estar codificados en cromosomas diferentes, alejados físicamente entre si. No obstante si que pueden aparecer repeticiones de un mismo gen de forma consecutiva en el genoma, lo que se llama repeticiones en tándem. Normalmente cuando se caracteriza se le asigna 1 al primero, y al resto 2, 3 según el orden que ocupan en el genoma, como pasa con los genes ENA o con SNQ.


b) Similitud de secuencia:
Muchas veces un gen puede estar duplicado, pero su copia estar en otra parte del genoma. Cuando se identifican y se confirma esta similitud de secuencia es frecuente mantener el criterio de ponerles el mismo nombre, por lo que el número indicaría el orden en el que han sido identificados. Es el caso de los genes TRK.


c) Función similar:
Hay técnicas que permiten identificar genes con una función determinada. Muchas de estas técnicas permites descubrir genes nuevos. Lo normal es que a medida que aparecen genes nuevos ir poniendo un número que indicará el orden en el que han sido descubiertos. Por ejemplo, los genes que al aumentar su expresión dan tolerancia a salinidad se llaman genes HAL (por halotolerancia) y hay del 1 al 11. Genes que al dejar de funcionar la levadura presenta problemas en el transporte de proteínas a la vacuola se llaman VPS (vacuolar protein sorting) y hay más de 50 diferentes. Aquí vemos la laxitud del criterio. En los casos a) y b) tener el mismo nombre pero diferente número implicaba que la secuencia era parecida, en este caso la secuencia no tiene por que parecerse. Solo indican que han sido descubiertos de forma similar, y en principio (no siempre es el caso) que están participando en el mismo proceso o tienen una función relacionada.


d) Peso de la proteína que codifican:
Hay genes de los cuales se conoce antes la proteína que codifican que el gen. Normalmente la propiedad más característica de una proteína es su peso molecular, que se puede determinar fácilmente. Es normal utilizar las tres letras que lo describan y un número que haga referencia al peso. Luego, cuando se descubre el gen, se mantiene el mismo criterio. Por ejemplo el gen TCO89 es el único que tiene las letra TCO en el genoma. No hay otros 88 genes TCO.


e) Nada:
Poner un número es obligatorio, por lo tanto si un gen se ha identificado individualmente, llevara el número uno. Hay un montón de genes que son hijos únicos, por eso el 1 es el número más repetido en el genoma de levadura.

Igual que una quiniela fácil, el genoma de la levadura esta lleno de unos

Y por si fuera poco lío es frecuente que un mismo gen sea descubierto simultáneamente por diferentes grupos y que cada uno le ponga un nombre diferente, lo que aumenta la confusión. Con el tiempo alguno de los nombre acaba imponiéndose (normalmente el del grupo que ha sacado la publicación con mayor factor de impacto o el que publica más sobre el gen en años sucesivos). Por ejemplo tenemos el gen CRZ1, que también se llama TCN1 por haber sido descubierto independientemente por dos grupos y se llama HAL8 por que fue unos de los genes identificados por dar tolerancia a salinidad. En la base de datos oficial aparecen recogidos estos tres nombres, pero la recomendación es CRZ1, por el grupo que más publicó sobre el tema. Es menos frecuente, pero se da el caso, que genes diferentes tengan el mismo nombre. Por muy estrictos que queramos ser, siempre se lía la cosa. Todos estos ejemplos se refieren a la levadura de panadería Saccharomyces cerevisiae, pero es similar en otros organismos.

Y con este post participo en la IX edición del carnaval de Biología que se hospeda en el blog "La ciencia de la vida", de Biogeocarlos.


Y también en la XI edición del carnaval de Química que se aloja en el blog "La aventura de la ciencia".

Y ya que habló de números, ¿por qué no participar también en el Carnaval de Matemáticas, que en su edición 2.X se alberga en el blog Resistencia Numantina? si, ese que estais pensando, el de la casilla de la ciencia en la declaración de la renta.

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Como resolver un problema matemático con ADN y una enzima

A pesar que puede sonar a ciencia ficción utilizar técnicas de biología molecular para solucionar problemas de matemáticas es algo que lleva años en marcha. El primero que sugirió la implementación de ordenadores moleculares fue Richard Feynman a finales de los 60, pero en aquel momento no habían herramientas para llevarlos a cabo. Leonard Adleman en 1994 fue el primero en resolver un problema matemático utilizando ADN y enzimas y demostró que es una herramienta increíble para resolver problemas complejos de combinatoria. Conviene recordar que un fragmento de ADN es una secuencia de caracteres con un alfabeto de 4 letras, mientras que los ordenadores utilizan un código de solo dos letras. La ventaja del ADN es que nos permite generar todas las posibles combinaciones de forma muy sencilla. Un matemático podría argumentar, y con razón, que la matemática utilizada no es elegante, ya que no diseña algoritmos refinados que nos den la solución correcta con el mínimo potencial de cálculo, sino que la solución se obtiene a lo bruto. Lo que hacemos es generar todas las combinaciones posibles a un costo de tiempo y recursos asumibles y utilizando biología molecular aislamos la solución correcta sin necesidad de complejos cálculos u operaciones. Feo matemáticamente, pero tremendamente eficaz. Para entenderlo mejor vamos a fijarnos en como se utilizó la computación con ADN por primera vez.

Diseño de un problema y oligonucleotidos utilizados (Fu, Biotechnol. journal; 2007)

La reacción en cadena de la polimerasa (PCR) es una técnica omnipresente en cualquier laboratorio de biología y sirve tanto para pruebas forenses, para análisis de alimentos, como para ingeniería genética. Adleman utilizo la PCR para resolver un problema que se le resistía a los ordenadores de la época, el del camino hamiltoniano. El problema es tan fácil de describir como difícil de resolver: imaginémonos un número n de ciudades conectadas por carreteras de una sola dirección. ¿Podemos encontrar un camino empezando en una ciudad determinada y acabando en otra que visite todas las ciudades una vez y solo una vez? Los algoritmos existentes solo permitían resolverlo “a lo bruto”, es decir, probar todas las combinaciones una a una hasta dar con la correcta, lo que obligaba a utilizar una elevada potencia de cálculo. Utilizar ADN también es un algoritmo a lo bruto, pero nos permite encontrar la solución correcta de forma rápida. La estrategia a seguir es:


1.- Cada ciudad y carretera se representa por una secuencia de ADN de 20 letras (técnicamente, nucleótidos). Si el problema tiene 7 ciudades, la solución correcta será un fragmento de ADN de 7x20: 140 letras.

2.- ¿Como se definen las diferentes carreteras existentes? Imaginemos que la ciudad A y la B están unidas por una carretera. Las 10 primeras letras de un fragmento representaran a la ciudad A y las siguientes 10 a la ciudad B, de forma que si hay una carretera que une A y J la carretera se representará por un ragmento de ADN cuyas 10 primeras letras coincidirán con las de la carretera AB y las diez últimas serán propias de J. Esto tiene una particularidad. Obviamente las ciudades son cruces de carreteras, de forma que una persona llega a A por la carretera JA y luego va a B por la carretera AB. Esta es la gracia del sistema. Secuencias iguales (¡son cadenas dobles! lo más correcto sería decir complementarias) se enlazarán entre sí durante la reacción de PCR de forma aleatoria.


3.- Ya tenemos que cuando pongamos todos los fragmentos de ADN juntos se enlazaran de forma aleatoria, ahora nos toca separar la solución correcta de las demás. Chupado. La gracia del problema es definir la ciudad de salida y la de destino. La reacción del PCR necesita de dos secuencias de ADN que hagan de cebadores, es decir, que le digan a la enzima donde tiene que empezar y donde tiene que acabar de copiar. Por lo tanto esos cebadores representaran el principio y el final del problema. Amplificarán alatoriamente todas las soluciones… pero la buena será la que tenga 140 letras, algo que es muy fácil de ver por una técnica rutinaria como una separación de ADN por electorferesis en gel de agarosa. Luego secuenciando el fragmento de ADN ya tenemos el problema resuelto de una forma rápida y barata.

Ejemplo de encriptación utilizando ADN (Fu, biotechnol. Journal; 2007)

De la misma forma que un semiconductor sirve para decir si o no, actualmente se están desarrollando herramientas basadas en secuencias de ADN y de ARN catalíticas que sirven para diseñar puertas lógicas. El sistema se basa en que tenemos diferentes opciones para que una cadena de ADN tenga o no actividad enzimática (catalice una reacción química), lo que nos permite el diseño de circuitos. También podemos utilizar secuendias de ADN para encriptar mensajes o para almacenar información. ¿cómo? pues no es dificil. Podemos definir un codigo con combinaciones de las 4 bases de ADN y ese fragmento de ADN insertarlo en cualquier organismo, que será el que lleve la información. Para descifrarla necesitaremos saber que cebadores utilizar y el código para descifrarla. En general la tecnología de la computación con ADN es todavía es un bebé que está aprendiendo a hablar. Ya hay circuitos capaces de realizar operaciones de aritmética elementales y jugar al tres en raya, pero todavía falta para que la manzanita no este fuera decorando sino integrada en la circuitería del ordenador.

Ejemplo de puertas lógicas utilizando secuencias de ADN catalíticas. (Willner et al, Chem. Soc. Rev 2008)

PD: Y con esta entrada participo en la edicion 2.4 del carnaval de matemáticas, que en este mes de mayo se aloja en el blog seispalabras.

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