Historia de la biología del ARN para niños

La historia del ARN (ácido ribonucleico) está llena de descubrimientos importantes en la Biología. Estos hallazgos han transformado nuestra comprensión de la vida, abarcando campos como la bioquímica, la genética, la microbiología y la biología molecular. Hasta 2010, 30 científicos habían recibido el Premio Nobel por sus investigaciones relacionadas con el ARN. Este artículo explora los descubrimientos más destacados sobre el ARN.

Para más información, puedes consultar los artículos sobre la Historia de la Biología Molecular y la Historia de la Genética.

Descubrimientos Clave del ARN

1930–1950: ¿Cómo se Diferencian el ARN y el ADN?

Al principio del siglo XX, no se conocían bien las diferencias entre el ADN y el ARN. Se les nombraba según de dónde se extraían: el ARN era "ácido nucleico de levadura" y el ADN, "ácido nucleico del timo".

Los científicos usaron pruebas químicas para ver que estos dos ácidos tenían azúcares diferentes. Así, el ARN pasó a llamarse "ácido nucleico de ribosa". También descubrieron que el ARN se dañaba con facilidad en ambientes muy básicos, mientras que el ADN era más estable. Además, el ARN tiene una base llamada uracilo en lugar de la timina que se encuentra en el ADN.

1951–1965: El ARN en Acción

El ARN Mensajero (ARNm) y la Información Genética

A finales de los años 50, surgió la idea del ARN mensajero. Francis Crick propuso el "Dogma Central de la Biología Molecular", que explica que el ADN guarda la información, el ARN la copia y luego esa copia dirige la creación de proteínas.

A principios de los años 60, estudios detallados en bacterias como la Escherichia coli ayudaron a entender cómo el ARNm lleva las instrucciones y cómo funciona el código genético. Era difícil obtener ARNm puro porque dura poco tiempo, pero se logró usando células de vertebrados que producen mucho ARNm para la hemoglobina.

Los Ribosomas: Fábricas de Proteínas

En los años 50, se descubrió que los ribosomas (antes llamados "microsomas") eran los lugares donde se fabricaban las proteínas. Los científicos vieron que los aminoácidos (los bloques de construcción de las proteínas) se unían a los ribosomas justo antes de formar las proteínas.

Los ribosomas se vieron por primera vez con un microscopio electrónico. Se descubrió que estaban hechos de ARN y proteínas. Más tarde, se identificaron los polisomas, que son varios ribosomas trabajando juntos en una misma molécula de ARNm, leyendo las instrucciones para crear cadenas de proteínas.

El ARN de Transferencia (ARNt): El Enlace entre ARN y Proteínas

Los experimentos mostraron que los aminoácidos se unían rápidamente a pequeñas moléculas de ARN que flotaban libremente en la célula. A estas moléculas se les llamó ARNt.

Se descubrió que:

• Cada célula tiene muchos tipos de ARNt, y cada uno se une a un aminoácido específico.
• Hay enzimas especiales que aseguran que cada ARNt se una al aminoácido correcto.
• Cada ARNt tiene una secuencia especial (anticodón) que se une a una parte específica del ARNm (codón).

El Código Genético: El Lenguaje de la Vida

Descifrar el código genético fue un gran avance. Este código es como un diccionario que traduce las secuencias de nucleótidos (las letras del ARN) en aminoácidos para formar proteínas.

Esto fue posible gracias a:

• Nuevos métodos para crear ARN artificial con secuencias conocidas.
• Sistemas de laboratorio para traducir este ARN artificial en proteínas.
• Investigaciones genéticas que mostraron que el código se lee en "palabras" de tres letras (codones).

Hoy, entendemos el código genético y podemos predecir la secuencia de aminoácidos de miles de proteínas a partir de la secuencia de sus genes.

La ARN Polimerasa: La Copista del ADN

La purificación de la ARN polimerasa de la bacteria Escherichia coli fue clave para entender cómo esta enzima copia la información del ADN al ARN (un proceso llamado transcripción). También se descubrió cómo se regula este proceso para "encender" o "apagar" ciertos genes.

Después, se encontraron otras ARN polimerasas en células más complejas (eucariotas), virus y orgánulos. Estos estudios también identificaron muchas proteínas que ayudan a controlar la transcripción, como las que activan o reprimen genes.

1966–1975: Avances en la Secuenciación y Estructura del ARN

La Primera Secuencia Completa de una Molécula de ARN

Aunque ya se podían secuenciar proteínas, los métodos para secuenciar ácidos nucleicos tardaron más en desarrollarse. A mediados de los años 60, se logró purificar un ARNt específico y se cortó en pedazos más pequeños. Al analizar la composición de cada pedazo, se pudo reconstruir la secuencia completa del ARNt. Hoy, la secuenciación de ácidos nucleicos es mucho más rápida y automática.

Patrones de Plegamiento del ARN: La Estructura de la Hoja de Trébol

Cuando se secuenciaron más moléculas de ARNt, los científicos compararon sus secuencias. Descubrieron que, a pesar de las diferencias, todos los ARNt se pliegan en estructuras bidimensionales muy parecidas, como una "hoja de trébol". Esto demostró que estas moléculas tienen un origen común y funciones similares. Desde entonces, el análisis comparativo ha ayudado a identificar patrones de plegamiento en otras moléculas de ARN.

La Primera Secuenciación Genómica Completa

Un gran equipo de investigadores pasó varios años determinando la secuencia de 3569 nucleótidos de todos los genes del ARN de un virus llamado bacteriófago MS2. Este fue el primer genoma completo secuenciado, aunque era muy pequeño comparado con los genomas actuales. Este trabajo reveló propiedades nuevas, como genes que se superponen y las primeras pistas de que diferentes organismos pueden usar los codones de distintas maneras.

La Transcriptasa Reversa: Copiando ARN a ADN

Se descubrió que algunos virus, llamados retrovirus, tienen un genoma de ARN que puede ser copiado a ADN. Esto es lo contrario de lo que se conocía (ADN a ARN). Estos virus tienen una enzima especial llamada transcriptasa reversa, que es esencial para este proceso. La transcriptasa reversa se ha convertido en una herramienta muy útil en los laboratorios para estudiar el ARN.

La Evolución Rápida de los Genomas de ARN

Los análisis mostraron que las enzimas que copian los genomas de ARN de los virus (como la transcriptasa reversa) no tienen un mecanismo para corregir errores. Esto significa que los genomas de ARN son mucho más propensos a mutaciones que el ADN. Por ejemplo, las mutaciones en algunos virus pueden hacer que se vuelvan resistentes a los medicamentos, lo que dificulta su tratamiento.

El ARN Ribosomal (ARNr) y la Historia de la Vida

Al analizar las secuencias del ARN ribosomal de muchos organismos, se vio que todas las formas de vida en la Tierra comparten características estructurales y de secuencia en su ARNr. Esto sugiere que todos tenemos un ancestro común. Comparar las similitudes y diferencias en el ARNr ayuda a entender las relaciones evolutivas entre los organismos. Gracias a esto, se identificó un tercer grupo de organismos, las archaea, además de las procariotas y eucariotas.

Nucleótidos No Codificantes en los Extremos del ARN

Se descubrió que, después de la transcripción, las moléculas de ARNm tienen nucleótidos adicionales que no llevan información para proteínas en sus extremos. También se identificaron enzimas que añaden y mantienen secuencias específicas en los extremos de las moléculas de ARNt. Estos son ejemplos de cómo el ARN se "procesa" después de ser copiado, un paso necesario para que las moléculas de ARN sean activas.

1976–1985: Estructura 3D y el Descubrimiento de los Intrones

Pequeñas Moléculas de ARN en el Núcleo

Se encontraron pequeñas moléculas de ARN nuclear (ARNsn) en el núcleo de las células eucariotas. Estudios posteriores mostraron que muchas de estas moléculas son muy importantes en el procesamiento del ARN dentro del núcleo, incluyendo el corte y empalme (splicing), la adición de colas de poli-A y la maduración del ARN ribosomal.

La Estructura Tridimensional del ARN

Usando una técnica llamada cristalografía de rayos X, se determinó la estructura tridimensional del ARNt. Se vio que el ARNt tiene una forma compleja y compacta, con interacciones especiales que le dan su forma. La capacidad del ARN para adoptar estas estructuras tridimensionales es clave para su función biológica. En muchos aspectos, el plegamiento del ARN se parece más al plegamiento de las proteínas que a la estructura repetitiva del ADN.

Los Intrones: Partes Ocultas en los Genes

Los científicos descubrieron que las moléculas de ARNm maduras eran más pequeñas que el ADN del que provenían. Esto se debía a que los genes no eran continuos; tenían secciones llamadas intrones que no estaban en el ARNm final, intercaladas con secciones llamadas exones que sí se mantenían.

Se encontró que los intrones se eliminaban después de la transcripción mediante un proceso llamado splicing del ARN. Este proceso es muy preciso y coordinado: se identifican los límites entre intrones y exones, se corta el ARN en esos puntos y luego se unen los exones en el orden correcto. El descubrimiento de los intrones y el splicing fue una gran sorpresa y uno de los hallazgos más importantes en la biología molecular.

Splicing Alternativo: Un Gen, Muchas Proteínas

En muchos genes de organismos complejos, se vio que los intrones podían procesarse de diferentes maneras. Esto significa que un solo gen puede producir varias versiones de ARNm, lo que a su vez lleva a la creación de diferentes proteínas. Este proceso, llamado splicing alternativo, permite que un solo gen tenga muchas funciones biológicas. De hecho, la mayoría de las proteínas del cuerpo humano se generan gracias al splicing alternativo.

El ARN Catalítico: Las Ribozimas

Un descubrimiento revolucionario fue que el ARN podía actuar como una enzima, es decir, podía acelerar reacciones químicas. Esto se vio por primera vez en un tipo de ARN ribosomal de un protozoo, que podía cortarse y empalmarse a sí mismo sin ayuda de proteínas. En otro estudio, se encontró que el componente de ARN de una enzima bacteriana también podía catalizar reacciones.

Estos experimentos demostraron que el ARN no solo lleva información, sino que también puede realizar funciones activas en la célula, algo que antes se creía exclusivo de las proteínas.

El ARN y el Origen de la Vida

El descubrimiento del ARN catalítico (ribozimas) llevó a la "Hipótesis del Mundo del ARN". Esta idea sugiere que el ARN pudo haber sido crucial en los primeros momentos de la vida en la Tierra, antes de que el ADN y las proteínas tuvieran sus funciones especializadas. Aunque no se puede saber con certeza cómo fue la evolución temprana, la presencia de ARN funcional en todas las formas de vida actuales apoya la idea de que el ARN fue muy importante para el último ancestro común.

Intrones Móviles: Elementos Genéticos que se Mueven

Algunos intrones que se auto-empalman pueden moverse e insertarse en otros genes. Como estos intrones se eliminan solos del ARN, no interfieren con la función del gen donde se insertan. Estos intrones móviles son un ejemplo de "ADN egoísta", secuencias que se replican a sí mismas.

Los Esplisomas: Reguladores del Splicing

Los intrones se eliminan del ARNm nuclear gracias a los esplisomas. Estos son complejos de ARNsn y proteínas que cambian su composición durante el proceso de splicing. Los esplisomas se ensamblan en los puntos de corte y empalme del ARNm y usan interacciones entre ARN para identificar secuencias especiales y catalizar las reacciones de corte y empalme. Las similitudes entre los intrones nucleares y los intrones de auto-empalme sugieren que podrían tener un ancestro común.

1986–2000: Edición y Mantenimiento del ARN

Edición de Secuencias de ARN en las Células

Se descubrió que las secuencias de ARN pueden ser modificadas (editadas) dentro de las células antes de convertirse en proteínas. En este proceso, se pueden añadir, eliminar o reemplazar nucleótidos en puntos específicos del ARN. Esto se vio por primera vez en las mitocondrias de un protozoo, donde la edición era muy extensa. También se encontraron eventos de edición de ARN en mamíferos, plantas, bacterias y virus, aunque con menos modificaciones.

Las Telomerasas: Protectoras de los Cromosomas

La telomerasa es una enzima presente en las células eucariotas que mantiene los extremos de los cromosomas, llamados telómeros. Los telómeros se acortan cada vez que el ADN se copia, y la telomerasa los alarga. Se descubrió que la telomerasa es una ribonucleoproteína, lo que significa que contiene un componente de ARN que sirve como molde y un componente proteico que actúa como transcriptasa reversa, añadiendo nucleótidos a los extremos del cromosoma usando el molde de ARN.

El ARN Ribosomal Cataliza la Formación de Enlaces Peptídicos

Durante años, los científicos buscaron qué parte del ribosoma era responsable de formar los enlaces que unen los aminoácidos para crear proteínas. Estudios detallados mostraron que las subunidades del ribosoma sin proteínas podían catalizar esta reacción, lo que indicaba que la actividad catalítica estaba en el ARN ribosomal, no en las proteínas.

La cristalografía de rayos X confirmó que el centro activo del ribosoma, donde se forman los enlaces peptídicos, está hecho de ARN ribosomal y no tiene proteínas. Esto llevó a la conclusión de que el ribosoma es una ribozima. Las secuencias de ARNr que forman este sitio activo son muy antiguas y se conservan en todas las formas de vida, lo que sugiere que la formación de enlaces peptídicos catalizada por ARN es una característica fundamental de nuestro último ancestro común.

Evolución en el Laboratorio con ARN

Se desarrollaron métodos para usar grandes poblaciones de moléculas de ARN en experimentos de laboratorio que imitaban la evolución. Estos experimentos, conocidos como "selección combinatoria" o SELEX, permiten a los investigadores seleccionar moléculas de ARN con propiedades específicas, como la capacidad de unirse a proteínas o de actuar como enzimas. Esto ha ayudado a entender cómo funcionan las moléculas de ARN naturales y a crear nuevas moléculas de ARN con funciones deseadas.

2001 – Presente: Nuevas Funciones del ARN

Elementos Móviles de ADN que Usan ARN

Se descubrió que muchos elementos genéticos que pueden moverse en el genoma (transposones) se replican usando un intermediario de ARN, que luego se convierte en ADN por la transcriptasa reversa. Estas secuencias, muchas relacionadas con retrovirus, forman una gran parte del ADN en las células eucariotas, especialmente en plantas. Por ejemplo, los retrotransposones constituyen el 36% del genoma humano.

Riboswitches: Interruptores de ARN

Los riboswitches son segmentos de ARN que se encuentran en muchas moléculas de ARNm bacteriano. Estos segmentos pueden cambiar su forma en respuesta a condiciones ambientales, como la temperatura o la presencia de ciertas sustancias. Este cambio de forma controla la producción de proteínas o la estabilidad del ARNm, regulando así la expresión de los genes sin necesidad de proteínas.

Pequeños ARN que Regulan Genes

En los años 90, se descubrió otra forma en que las moléculas de ARN regulan los genes. Pequeñas moléculas de ARN, como los microARN (ARNmi) y los ARN pequeños de interferencia (ARNsi), son abundantes en las células eucariotas y controlan la expresión de los genes después de que el ARNm ha sido copiado. Estas moléculas se unen a sitios específicos en el ARNm y pueden causar su degradación, silenciando así el gen.

ARN No Codificante y la Epigenética

Además de sus funciones en la traducción y el splicing, se ha identificado que el ARN no codificante (ARNnc) tiene papeles importantes en la defensa del genoma y en la inactivación de cromosomas. Por ejemplo, el ARN asociado a Piwi (ARNpi) ayuda a prevenir la inestabilidad del genoma en las células reproductivas, mientras que el Xist es esencial para la inactivación de uno de los cromosomas X en mamíferos.

Premios Nobel en la Biología del ARN