Investigación de proteínas y ácidos nucleicos en la Universidad Rockefeller

 Investigación de proteínas y ácidos nucleicos en la Universidad Rockefeller

 

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 John D. Rockefeller, el legendario filántropo y magnate del petróleo, fundó la universidad que lleva su nombre en 1901 después de que su nieto muriera de escarlatina. Originalmente llamado Instituto Rockefeller para la Investigación Médica, fue la primera institución en los Estados Unidos dedicada exclusivamente a la investigación biomédica, para comprender las causas subyacentes de la enfermedad. Los científicos de Rockefeller descubrieron que los genes están hechos de ADN, encontraron el factor Rh en la sangre, demostraron la conexión entre el colesterol y las enfermedades cardíacas, desarrollaron vacunas contra la meningitis e introdujeron la metadona para controlar la adicción a la heroína. De los 21 premios Nobel asociados con Rockefeller, cinco recibieron el premio en química.

 Investigación química en la Universidad Rockefeller

Gran parte del trabajo de los químicos en Rockefeller se llevó a cabo y continúa realizándose en Flexner Hall. El edificio lleva el nombre de Simon Flexner, el primer director de Rockefeller. Flexner reclutó a Phoebus A. Levene, un ruso que había estudiado con el gran químico alemán Emil Fischer, para establecer un laboratorio químico en 1905.

La investigación de Levene durante su carrera de 45 años en Rockefeller se centró en aislar e identificar compuestos orgánicos, incluidos carbohidratos, proteínas, lípidos y ácidos nucleicos, de sistemas vivos. Él y su equipo estudiaron el ARN y el ADN, e identificaron la ribosa y la desoxirribosa como sus componentes básicos clave. También aislaron y nombraron adenosina, una de las unidades básicas del ADN y el ARN. Este trabajo proporcionó una base firme para mucho de lo que vendría después.

La química física llegó a Rockefeller en 1926 con Duncan MacInnes. Anteriormente afiliado al Instituto de Tecnología de Massachusetts, estaba interesado en las propiedades de los iones en solución. Para este trabajo, MacInnes, un magnífico instrumentista, desarrolló una versión muy mejorada del electrodo de vidrio. Leonor Michaelis, que ya era muy conocido por su trabajo en cinética enzimática, abrió un segundo laboratorio de química física en Rockefeller en 1929. En Rockefeller, los estudios de Michaelis se centraron en las reacciones biológicas de oxidación-reducción.

 Química de la vida: proteínas y ácidos nucleicos

Gran parte de la investigación en Rockefeller ha girado en torno a los ácidos nucleicos ARN (ácido ribonucleico) y ADN (ácido desoxirribonucleico) y proteínas.
Química de los Ácidos Nucleicos (ADN y ARN)

Cuando Oswald T. Avery, un graduado de la facultad de medicina de la Universidad de Columbia, se unió a Rockefeller en 1913, su objetivo era comprender la bacteria del neumococo y diseñar terapias para la neumonía lobular, entonces una enfermedad potencialmente mortal. En última instancia, demostró que el ADN es el material que transfiere la información genética.

Fred Griffith, un investigador médico británico, había inyectado una cepa no virulenta de neumococos (neumococos R) en ratones junto con células muertas de una forma virulenta de neumococos (neumococos S). Los ratones murieron y se encontraron neumococos S vivos en sus pulmones. Avery se dispuso a responder a la pregunta: ¿Cómo ocurrió esto?

Los investigadores del laboratorio de Avery finalmente duplicaron los resultados de Griffith en un tubo de ensayo, utilizando bacterias en lugar de ratones. Descubrieron que reemplazar las bacterias S muertas con un extracto crudo libre de células de las mismas bacterias transformaba las bacterias no virulentas en la cepa virulenta. El hallazgo tuvo implicaciones de largo alcance.

En 1944, Avery y dos asociados principales, Colin MacLeod y Maclyn McCarty, publicaron su conclusión: el ADN, y solo el ADN, era el material con propiedades genéticas. Este hallazgo fue un desafío directo al dogma vigente en ese momento de que solo las proteínas (moléculas más complejas y más intrincadamente plegadas) existían en la multitud de formas necesarias para almacenar el modelo genético de un organismo completo.

El ADN contiene los genes que controlan la estructura y el funcionamiento del cuerpo. Está hecho de moléculas alternas de desoxirribosa y ácido fosfórico, que se combinan para formar una cadena. Cuatro "bases" (adenina, timina, guanina y citosina, o A, T, G y C) están unidas a esta cadena, cada una unida a una unidad de desoxirribosa. La secuencia de bases a lo largo de la molécula de ADN forma un mensaje codificado que le dice a la célula cómo fabricar proteínas. Tu ADN, a menos que seas un gemelo idéntico, es distinto al de todos los demás. La diferencia está en el orden de las bases.

 Química de Proteínas y Enzimas

John H. Northrop probablemente hizo más que cualquier otro individuo para establecer la opinión de que las enzimas puras son de hecho proteínas. Se asoció con Rockefeller en 1916, después de obtener su Ph.D. en química en la Universidad de Columbia y se desempeñó como capitán en el Servicio de Guerra Química durante la Primera Guerra Mundial, donde ideó un proceso para producir acetona a partir de papas.

Northrop estudió la cinética de las reacciones catalizadas por enzimas y las condiciones que afectan la acción de las enzimas digestivas pepsina y tripsina. En 1931, desarrolló métodos de solubilidad para determinar la homogeneidad de las preparaciones de proteínas. Estos métodos ayudaron a probar que las enzimas son proteínas.

Entre 1930 y 1935, Northrop cristalizó la pepsina. Su colega, Moses Kunitz, cristalizó la tripsina, la quimotripsina, la ribonucleasa, la desoxirribonucleasa, la hexocinasa y la pirofosfatasa y utilizó la prueba más rigurosa disponible en ese momento para demostrar que también son proteínas puras.

En estudios posteriores, Northrop descubrió que los agentes invasores de bacterias conocidos como bacteriófagos, considerados durante mucho tiempo como organismos vivos, podían aislarse como sustancias químicas. El hallazgo ayudó a demostrar que los bacteriófagos son virus y allanó el camino para que los científicos estudiaran los virus en las bacterias.

Los hallazgos de Northrop lo llevaron a teorizar, correctamente, que los virus pueden transferir información genética de una célula a otra. En 1946, él y Wendell M. Stanley compartieron la mitad del Premio Nobel "por su preparación de enzimas y proteínas virales en forma pura". (James Sumner recibió la otra mitad del premio). El premio también reconoció la importancia filosófica del vínculo entre la materia viva y la no viva descubierta por Stanley.

 William H. Stein y Stanford Moore: estructura y actividad de la molécula de ribonucleasa

Cuando Wendell Stanley se unió a Rockefeller en 1931, el término "virus" se utilizó para describir agentes patógenos submicroscópicos capaces de multiplicarse solo dentro de las células vivas. Lo que realmente era un virus (un organismo pequeño, un fluido vivo o una molécula química) seguía siendo un misterio.

En 1935, Stanley aisló cristales en forma de aguja del virus del mosaico del tabaco (TMV) que eran 1000 veces más infecciosos que el jugo del que estaban hechos. Determinó que la proteína del virus tenía todos los atributos habituales de un compuesto químico puro. De hecho, parecía ser una molécula química gigante. Los principales biólogos moleculares de la próxima generación caracterizaron el hallazgo de Stanley como el comienzo efectivo de la biología molecular.

Posteriormente, Frederick Bawden y Norman Pirie, que entonces trabajaban en Cambridge, en Inglaterra, descubrieron que el TMV está compuesto por un 94 % de proteína y un 6 % de ácido nucleico (ARN). Determinaron que la sustancia activa no es, como había supuesto Stanley, una proteína simple de alto peso molecular, sino una nucleoproteína, una proteína combinada químicamente con un ácido nucleico. Además, la porción de ácido nucleico del virus le permite reproducirse cuando se introduce en una célula viva.

William H. Stein (1911-1980) y Stanford Moore (1913-1982), quienes llegaron a Rockefeller como becarios posdoctorales a fines de la década de 1930, unieron fuerzas para llenar los vacíos en el conocimiento sobre la estructura de las proteínas. Los científicos habían determinado que las proteínas funcionan como enzimas, anticuerpos, hormonas, transportadores de oxígeno y como los principales bloques de construcción del tejido corporal. Pero poco se sabía de su estructura, ni siquiera de la composición de los aminoácidos que componían una sola proteína.

En colaboración con Darrel Spackman, un joven miembro del laboratorio, Stein y Moore inventaron un analizador de aminoácidos que automatizó y aceleró enormemente el proceso de separación y cuantificación de los aminoácidos en una proteína. En la actualidad, laboratorios de todo el mundo utilizan los descendientes comerciales de este analizador para determinar la composición de proteínas purificadas, fluidos fisiológicos y alimentos.

A partir de 1949, Stein, Moore y un colega, C. H. W. Hirs, comenzaron a utilizar estos métodos analíticos para aislar y estudiar la estructura primaria de la ribonucleasa pancreática bovina, una enzima que cataliza la descomposición del ARN. (Esta enzima había sido aislada por Renè Dubos en Rockefeller.) En 1963, Stein, Moore y Hirs publicaron la secuencia completa de aminoácidos de la ribonucleasa A: la primera descripción de la estructura química de una enzima y la proteína más grande decodificada en ese momento.

Stein y Moore recibieron el Premio Nobel de química en 1972, junto con Christian B. Anfinsin de los Institutos Nacionales de Salud. El premio reconoció sus contribuciones a la comprensión de las interrelaciones entre la estructura y la actividad de la molécula de ribonucleasa.

Bruce Merrifield: Síntesis de Péptidos y Proteínas

En 1959, Bruce Merrifield (1921-2006) describió en su cuaderno de laboratorio la idea que revolucionaría la síntesis de péptidos: uniría un aminoácido a un soporte sólido insoluble y le agregaría otros secuencialmente para crear un péptido insoluble. Las cadenas en crecimiento podrían liberarse del exceso de reactivos mediante un procedimiento de lavado simple y rápido.

Merrifield llamó a este método "síntesis de péptidos en fase sólida". Primero lo usó con éxito en 1963 para sintetizar un tetrapéptido: una cadena simple de cuatro aminoácidos. Luego preparó un compuesto biológicamente activo: la bradicinina, una hormona hipotensora no peptídica. Finalmente, con Arnold Marglin, sintetizó insulina, el polipéptido más pequeño que califica como proteína.

Formado como bioquímico, Merrifield se unió a Rockefeller como becario postdoctoral en 1949. Muchos de los problemas en los que trabajó durante la siguiente década requerían la preparación de péptidos mediante tediosos métodos clásicos. "Eran efectivos", dice, "pero eran laboriosos y requerían mucho tiempo. Según el tamaño y la complejidad del péptido, el proceso podía llevar meses o incluso años. Para un principiante como yo, era extremadamente frustrante".

En 1969, Merrifield y Bernd Gutte sintetizaron la enzima ribonucleasa A. Eligieron esta enzima porque es una de las más pequeñas (124 aminoácidos de longitud) y porque sus propiedades eran bien conocidas y determinadas en gran medida en Rockefeller.

Después de unas 369 reacciones químicas y 11.931 pasos mecánicos, Merrifield y Gutte habían creado la cadena que buscaban. Sabían que su forma afectaría su funcionamiento. La pregunta: ¿Se torcería y doblaría la enzima sintética, plegándose espontáneamente en la estructura natural? Lo hizo, confirmando que la estructura primaria de una proteína determina su estructura terciaria.

En 1984, Merrifield recibió el Premio Nobel de química por sintetizar péptidos y proteínas utilizando una matriz sólida. Esta tecnología continúa ayudando a los científicos a penetrar y manipular moléculas biológicas. Su trabajo, afirmó la Real Academia Sueca de Ciencias, "ha creado posibilidades completamente nuevas en el campo de la química de péptidos y proteínas... así como en el campo de la química de ácidos nucleicos donde otros investigadores han aplicado las ideas de Merrifield".