¿Es visible el ADN?

¿Cómo Es El ADN? Después De 66 Años, Seguimos Aprendiendo Más.

Hace exactamente 66 años, el 25 de abril de 1953, Francis Crick y James Watson publicaron su famoso artículo que demostraba que la forma del ADN es una doble hélice.

Dibujo a lápiz de la doble hélice del ADN realizado por Francis Crick. Muestra una hélice dextrógira y los nucleótidos de las dos cadenas antiparalelas. Atribución de Creative Commons (CC BY 4.0).

WELLCOME COLLECTION

No pudieron ver el ADN directamente — es demasiado pequeño para ello —, pero llegaron a su conclusión basándose en cálculos e imágenes de difracción de rayos X. Un dato crucial fue la famosa "Foto 51", una imagen de rayos X del ADN tomada por Rosalind Franklin.

"Foto 51″, de los experimentos de difracción de rayos X de Rosalind Franklin, que aporta pruebas de que el ADN tiene una estructura helicoidal.

ROSALIND FRANKLIN AND RAYMOND GOSLING

La estructura de doble hélice resultante se ha convertido en la imagen icónica del ADN. Está en logotipos e imágenes de stock. El año pasado se añadió a la lista oficial de emojis disponibles. Al principio, el anuncio del emoji del ADN causó un poco de revuelo entre los científicos, porque la hélice estaba torcida en la dirección equivocada. Se arregló antes del lanzamiento oficial.

Muchas interpretaciones artísticas de la hélice del ADN no pretenden ser totalmente exactas desde el punto de vista científico, por supuesto, y dejan que la hélice gire hacia donde quiera. Pero en nuestros cuerpos y en todos los demás seres vivos de la Tierra, la hélice del ADN característica solo tiene un giro hacia la derecha.

Una escultura del ADN en el 45º Festival de Invierno de Asahikawa en 2013, en Hokkaido. Esta hélice gira en el sentido contrario.

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Este tipo de imágenes de la hélice del ADN no son cosas que se puedan ver a simple vista, ni siquiera con un microscopio. Son modelos. Sabemos que el ADN existe en esta doble hélice porque es la única forma que puede explicar los patrones de difracción de rayos X que forma. Lo sabemos no solo por la imagen de Rosalind Franklin sino por muchas otras imágenes tomadas a lo largo de los años por muchos otros científicos. Simplemente no es algo que se pueda ver claramente con un microscopio porque es muy pequeño. Una cadena de la doble hélice mide unos 22 nanómetros de ancho. Como referencia, tu dedo es al menos 55 millones de veces más ancho que eso.

Si hay mucho ADN en un tubo de ensayo, a veces se puede ver a simple vista. Los proyectos escolares y las ferias de ciencias suelen incluir la extracción del ADN de frutas y verduras. Una vez que se extrae al ADN de las células vegetales y se coloca en alcohol, se puede ver como una mancha blanca y mocosa en el tubo. Este es el mismo tipo de experimento que los biólogos moleculares hacen regularmente en sus laboratorios a una escala mucho más pequeña como parte del análisis de muestras de ADN.

ADN aislado de un calabacín, visible como una nube blanca en etanol.

PUBLIC DOMAIN (VIA WIKIMEDIA COMMONS)

Otra forma familiar del ADN es la del cromosoma. Un cromosoma contiene varios millones de pares de bases de ADN, que cubren unos cientos de genes en promedio, y lo que se ve es una doble cadena de ADN muy fuertemente enrollada. No siempre existe en esta forma en las células, solo durante la división celular, pero este estado enrollado es visible bajo el microscopio.

Cromosomas humanos visibles en las células bajo el microscopio.

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Con un microscopio electrónico se puede ampliar aún más y, con esta resolución, es posible ver una cadena de ADN en una célula. Aun así, no hay muchos detalles a este nivel.

La mejor manera de visualizar una hélice individual es crear un modelo basado en imágenes indirectas, procedentes de la cristalografía de rayos X o de la espectroscopia de resonancia magnética nuclear (RMN). Las imágenes resultantes no son una imagen real de un solo trozo de ADN sino una media de varias moléculas.

Modelo de un segmento corto de ADN con una molécula de 4′,6-diamidino-2-fenilindol (DAPI) unida a él. PDB ID: 1D30. DOI: 10.2210/pdb1D30/pdb. Imagen creada con NGL Viewer (AS Rose et al. (2018) NGL viewer: web-based molecular graphics for large complexes. Bioinformatics doi:10.1093/bioinformatics/bty419)

"Esos métodos de promediación y dispersión han sido realmente la norma hasta hace poco", afirma Alice Pyne, investigadora del Centro de Nanotecnología de Londres (University College London). Pero, señala, estas imágenes no pueden mostrar algunas de las complejidades del aspecto real del ADN cuando está compactado en una célula.

En 2014, Pyne y sus colegas pudieron observar la estructura de una hélice de ADN mediante una técnica llamada Microscopía de Fuerza Atómica. Con este método, pudieron ver detalles que antes no eran visibles, hasta los surcos mayores y menores característicos de la hélice. "En lugar de ver al ADN como una especie de espagueti sin características, ahora empieza a tener estructura", dice Pyne. "Podemos obtener nueva información sobre cómo pueden organizarse esas estructuras dentro de la célula".

Visualización de una sola molécula de ADN mediante microscopía de fuerza atómica. Imagen de Pyne A, Thompson R, Leung C, Roy D, Hoogenboom BW. Reconstrucción de una Sola Molécula de la Estructura Secundaria de un Oligonucleótido mediante Microscopía de Fuerza Atómica. Small 2014; 10: 3257-3261. (CC-BY)

ALICE PYNE

Esto es mucho más detallado que la mayoría de las imágenes de ADN no promediadas, pero incluso a este nivel todavía no se pueden ver los pares de bases individuales que hacen que cada pieza de ADN sea única. Ningún microscopio puede ver eso, así que normalmente el código genético se simplifica como eso — un código. Las letras A, C, G y T del código genético significan adenina, citosina, guanina y timina. Estas moléculas forman los peldaños de la escalera de la hélice del ADN y sus pares (A con T, C con G) son los que unen las dos cadenas de la doble hélice.

Análisis de la Secuencia del ADN. Fotografía del monitor del ordenador.

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Los modelos del ADN basados en la cristalografía de rayos X o en la RMN pueden incluir los pares de bases individuales en sus estructuras modeladas. Estos suelen limitarse a unos pocos pares de bases, pero recientemente el grupo de Karissa Sanbonmatsu, del Laboratorio Nacional de Los Álamos, ha conseguido modelar mil millones de átomos de un gen entero de este modo, utilizando el superordenador de Los Álamos. En el anuncio del proyecto, la física de polímeros Anna Lappala predice: "En el futuro, podremos hacer uso de superordenadores a ex-escala, lo que nos dará la oportunidad de modelar el genoma completo".

Hemos avanzado mucho desde 1953, pero aún queda mucho por descubrir y las nuevas tecnologías de imagen y computación siempre revelan más detalles sobre el aspecto real del ADN.

Información traducida: Amsen, E. "What Does DNA Look Like? After 66 Years, We're Still Learning More" (2019).