Toda la vida que la Tierra aloja se basa en Células. Las células son las unidades básicas de la vida porque pueden realizar las funciones vitales: relación, nutrición y reproducción. Esta última es la que permite que los seres vivos se puedan perpetuar en el eje espacio tiempo desde que hace 3500 millones de años apareciese el primer agregado de proteínas, grasas y nucleótidos en forma de una célula procariota hasta hoy, cuando tú humano o humana lees este artículo.
La reproducción de las células necesita de forma obligatoria que se hagan copias de su información básica (el ADN) antes de dividirse
La comprensión actual de cómo se duplica el material genético —es decir, cómo una célula hace una copia fiel de su ADN antes de dividirse— se asienta en pilares experimentales sólidos. Entre ellos destaca el célebre experimento de Matthew Meselson y Franklin Stahl, realizado en 1958, que proporcionó evidencia convincente de que la replicación del ADN es semiconservativa: cada molécula hija conserva una hebra original y sintetiza una nueva. Este hallazgo no sólo confirmó la hipótesis propuesta por Watson y Crick, sino que además integró principios físicos, microbiológicos y bioquímicos para resolver uno de los problemas fundamentales en biología molecular.
Fuente: Hanawalt, Philip. (2005). Density matters: The semiconservative replication of DNA. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 101. 17889-94. 10.1073/pnas.0407539101.
Contexto histórico y motivación del experimento
El descubrimiento de la estructura de doble hélice del ADN en 1953 por James Watson y Francis Crick abrió una pregunta crítica: ¿cómo se copia esa estructura tan precisa durante la división celular? Watson y Crick propusieron tres posibles mecanismos de replicación:
- Conservativo: la molécula original se conserva entera, mientras que se forma una copia nueva completamente nueva.
- Semiconservativo: cada hebra parental sirve de molde para una nueva hebra, dando como resultado moléculas híbridas.
- Dispersivo: las hebras parentales se fragmentan y se ensamblan en nuevas moléculas mezcladas.
El experimento de Meselson y Stahl fue diseñado para distinguir entre estos modelos. Su diseño fue ingenioso y relativamente simple, pero requirió un dominio de técnicas de cultivo bacteriano, manipulación isotópica y análisis físico de macromoléculas.
El ADN está compuesto por elementos como el Nitrógeno, el Fósforo, el Oxígeno o el Hidrógeno, que se incorporan en las células a través de la nutrición de forma primaria y se obtienen del reciclaje y metabolismo de otras moléculas de forma secundaria. Cada uno de estos elementos tiene formas más pesadas o más ligeras que se conocen como isótopos. En el caso del experimento que nos ocupa, los investigadores se decidieron por usar el Nitrógeno como elemento discriminador, usando dos isótopos, el nitrógeno 14 (general, presente en la atmósfera en mayor proporción) y el nitrógeno 15 (más pesado).
| Isótopo | Protones | Neutrones | Estabilidad | Uso principal |
|---|---|---|---|---|
| ¹⁴N | 7 | 7 | Estable | Nitrógeno natural y biológico |
| ¹⁵N | 7 | 8 | Estable | Investigación científica |
Se crecieron bacterias en un medio cuya única fuente de nitrógeno era nitrógeno 15 (pesado), por lo que su ADN se volvió pesado en ese medio, se sacó una muestra de ADN y se centrifugó en una disolución de Cloruro de Cesio en un tubo de ensayo, haciendo que el ADN se quede muy al fondo formando una banda.
Se repite el procedimiento y ahora se crecen bacterias en un medio con nitrógeno 14 (ligero), su ADN tiene un peso «normal» y al centrifugarse con el mismo medio, el ADN forma una banda muy cercana a su zona de depósito (una banda maś alta que la del ADN pesado).
Si repetimos el procedimiento una tercera vez, pero ahora, primero se crecen las bacterias en un medio con nitrógeno pesado y después se las crece en un medio con nitrógeno normal, al extraer su ADN y centrifugarlo como se ha hecho antes, sale una banda que está a mitad de distancia entre la banda del ADN con N14 y la del ADN con N15.
Se descarta que el modelo sea conservativo, porque no genera una banda ni ligera ni pesada, pero, ¿podemos confirmar si es semi-conservativo o dispersivo?
Para ello hay que volver a repetir el crecimiento con ADN de N14 sobre la anterior colonia (que tiene parte del nitrógeno pesado), si ahora volvemos a hacer el experimento, se forma otra banda nueva, cuya posición está entre la banda ligera (ADN N14) y la banda intermedia (ADN N14 y N15), esto sólo es posible si el ADN en cada división conserva una hebra antigua y añade una nueva, una hebra con Nitrógeno pesado y una hebra con nitrógeno ligero, división a división, la banda que genera cada una será más próxima a la banda de ADN ligero, porque habrá cada vez menos bacteria con ADN pesado, pero aún así, las habrá.
Después de una sola ronda de replicación en N14, Meselson y Stahl observaron una sola banda de densidad intermedia (entre “pesada” y “ligera”), lo cual descartaba el modelo conservativo (que hubiera mostrado dos bandas: una pesada y una ligera). En lugar de eso, cada ADN tenía una hebra vieja (N15) y una nueva (N14), consistente con el modelo semiconservativo.
Después de una segunda ronda, surgieron dos bandas: una de densidad intermedia y otra cercana a la ligera. Esto se explica porque en la segunda replicación, la mitad de las moléculas era híbrida (^15N/^14N) y la otra mitad completamente ligera (^14N/^14N). Esto confirma el modelo semiconservativo.
Este patrón no sería compatible con una replicación dispersiva (que produciría gradientes difusos) ni con la conservativa.
El modelo de replicación semiconservativa del ADN tiene profundas implicaciones bioquímicas y biológicas, ya que cada hebra parental actúa como molde para la síntesis de una nueva hebra complementaria, lo que exige una alta fidelidad en el emparejamiento de bases por parte de la ADN polimerasa. Esta precisión es esencial para mantener la integridad del material genético, y a la vez permite que el sistema de reparación del ADN, como la corrección postreplicativa, pueda identificar errores al distinguir entre la hebra vieja y la recién sintetizada. Además, este mecanismo contribuye a la estabilidad genética a lo largo de las generaciones, minimizando la aparición de mutaciones espontáneas, pero permitiendo las suficientes como para sostener la variabilidad genética necesaria para la evolución. Así, el entendimiento de la replicación semiconservativa no solo esclarece cómo las células duplican su material genético con gran exactitud, sino que también proporciona el fundamento para comprender procesos como la reparación, la mutagénesis y la herencia molecular.
Legado científico y actualidad
El experimento de Meselson y Stahl no sólo resolvió una pregunta central de biología molecular; también sentó las bases para tecnologías actuales como:
- Secuenciación del ADN, que presupone replicación semiconservativa.
- Edición genética (CRISPR), que actúa sobre hebras molde.
- Diagnóstico molecular y terapias basadas en reparación del ADN.
La belleza de este experimento viene de la integración entre varias ramas de conocimiento. De un lado, la física de la centrifugación nos permite, aplicando puntos en los que la fuerza centrípeta y el peso se igualan, conseguir separar macromoléculas como el ADN. Por otra parte, se necesita toda la maquinaria del metaboloma de una bacteria para poder producir el mismo ADN que se está intentando averiguar cómo se reproduce, por lo que la bioquímica se hace manifiesta a través de un modelo in vivo y, finalmente, es necesario que esas bacterias cuenten con un entorno favorable a su reproducción y desarrollo, por lo que la microbiología es imprescindible para poder continuar con este experimento.
La ciencia necesita de la creatividad para poder encontrar soluciones ingeniosas que permitan seguir desvelando los misterios de la naturaleza, donde hay muchas que existen, pero que aún no han sido nombradas, y eso nos demanda a tod@s humildad.
Consulta estas referencias para mayor detalle y ampliación, ¡mucho ánimo!
Referencias
- Meselson, M., & Stahl, F. W. (1958). The replication of DNA in Escherichia coli. Proceedings of the National Academy of Sciences, 44(7), 671–682.
- Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., et al. (2015). Molecular Biology of the Cell (6th ed.). Garland Science.
- Lehninger, A. L., Nelson, D. L., & Cox, M. M. (2013). Lehninger Principles of Biochemistry (6th ed.). W.H. Freeman.
- Lodish, H., Berk, A., Kaiser, C. A., et al. (2016). Molecular Cell Biology (8th ed.). W.H. Freeman.
- Berg, J. M., Tymoczko, J. L., & Stryer, L. (2015). Biochemistry (8th ed.). W.H. Freeman.
