Experimento de Hershey y Chase

Los experimentos de Hershey y Chase fueron una serie de experimentos realizados en 1952 por los científicos Alfred Hershey y Martha Chase que ayudaron a confirmar que el ADN es el material genético.

A pesar de que el ADN se conocía desde 1869, éste no era considerado parte del proceso de herencia genética, y la comunidad científica suponía que las proteínas eran las responsables de transmitir la información. El ADN se veía como una molécula simple e inerte, relegada a un rol de almacenamiento de fósforo dentro del núcleo celular.

Sin embargo, Hershey y Chase durante sus experimentos utilizando bacteriófagos (virus que infectan bacterias) encontraron que el ADN es de hecho el material genético. Estos virus están compuestos por una capa proteica externa y un núcleo de ADN. En sus experimentos, marcaron el ADN de los bacteriófagos con un isótopo radiactivo de fósforo (P-32) y las proteínas con un isótopo radiactivo de azufre (S-35). Posteriormente, infectaron bacterias con los bacteriófagos marcados y separaron las proteínas de la cápside viral del ADN.

Los resultados mostraron que la radioactividad del P-32 (ADN) se encontraba dentro de las bacterias, mientras que la radioactividad del S-35 (proteínas) permanecía fuera. Es decir, su ADN ingresa a la célula bacteriana huésped, pero la proteína no. Esto demostró que el ADN era el material que se transfería a las bacterias durante la infección, y por lo tanto, era el responsable de la herencia genética del bacteriófago. Las investigaciones posteriores permitieron comprobar que lo era también para todos los seres vivos.

En 1969, Hershey recibió el Premio Nobel de Fisiología o Medicina junto a Max Delbrück y Salvador Luria por sus "descubrimientos sobre la estructura genética de los virus". Los experimentos de Hershey y Chase, junto con otros descubrimientos posteriores, consolidaron el papel del ADN como material genético. Este hallazgo tuvo un impacto profundo en la biología molecular y sentó las bases para la investigación actual en genética y genómica.

HSD

Antecedentes históricos

A principios del siglo XX, los biólogos pensaban que las proteínas portaban información genética. Esto se basó en la creencia de que las proteínas eran más complejas que el ADN. La influyente 'hipótesis del tetranucleótido' de Phoebus Levene, que proponía incorrectamente que el ADN era un conjunto repetitivo de nucleótidos idénticos, apoyó esta conclusión. Los resultados del experimento de Avery-MacLeod-McCarty, publicados en 1944, sugirieron que el ADN era el material genético, pero todavía había cierta vacilación dentro de la comunidad científica general para aceptar esto, lo que sentó las bases para el experimento de Hershey-Chase.

Hershey y Chase, junto con otros que habían realizado experimentos relacionados, confirmaron que el ADN era la biomolécula que transportaba la información genética. Antes de eso, Oswald Avery, Colin MacLeod y Maclyn McCarty habían demostrado que el ADN conducía a la transformación de una cepa de Streptococcus pneumoniae en otra. Los resultados de estos experimentos proporcionaron evidencia de que el ADN era la biomolécula que transportaba la información genética.

Métodos y resultados

 

Sinopsis estructural de la emisión T2

Hershey y Chase necesitaban poder examinar diferentes partes de los fagos que estaban estudiando por separado, por lo que necesitaban distinguir las subsecciones de fagos. Se sabía que los virus estaban compuestos por una cubierta de proteína y ADN, por lo que optaron por etiquetar cada uno de forma única con un isótopo elemental diferente. Esto permitió observar y analizar cada uno por separado. Dado que el fósforo está contenido en el ADN pero no en los aminoácidos, se usó fósforo-32 radiactivo para marcar el ADN contenido en el fago T2. Se usó azufre-35 radiactivo para marcar las secciones de proteína del fago T2, porque el azufre está contenido en la proteína pero no en el ADN.

Hershey y Chase insertaron los elementos radiactivos en los bacteriófagos agregando los isótopos a medios separados dentro de los cuales se permitió que las bacterias crecieran durante 4 horas antes de la introducción del bacteriófago. Cuando los bacteriófagos infectaron a las bacterias, la progenie contenía los isótopos radiactivos en sus estructuras. Este procedimiento se realizó una vez para los fagos marcados con azufre y una vez para los fagos marcados con fósforo.
A continuación, se permitió que la progenie marcada infectara bacterias no marcadas. Las capas de fago permanecieron en el exterior de la bacteria, mientras ingresaba el material genético. La ruptura del fago de la bacteria mediante agitación en un mezclador seguido de centrifugación permitió la separación de las cubiertas del fago de la bacteria. Estas bacterias se lisaron para liberar la progenie de fagos. La progenie de los fagos que se marcaron con fósforo radiactivo permaneció marcada, mientras que la progenie de los fagos marcados con azufre radiactivo no se marcó. Por lo tanto, el experimento de Hershey-Chase ayudó a confirmar que el material genético es el ADN, no la proteína.

Hershey y Chase demostraron que la introducción de desoxirribonucleasa (denominada ADNasa), una enzima que descompone el ADN, en una solución que contenía los bacteriófagos marcados no introdujo nada de ³²P en la solución. Esto demostró que el fago es resistente a la enzima mientras está intacto. Además, pudieron plasmolizar los bacteriófagos para que entraran en choque osmótico, lo que efectivamente creó una solución que contenía la mayor parte del ³²P y una solución más pesada que contenía estructuras llamadas "fantasmas" que contenía el ³⁵S y la cubierta proteica del virus. Se encontró que estos "fantasmas" podía adsorberse a las bacterias que eran susceptibles a T2, aunque no contenían ADN y eran simplemente los restos de la cápsula viral original. Llegaron a la conclusión de que la proteína protegía el ADN de la ADNasa, pero que una vez que se separaban los dos y se inactivaba el fago, la ADNasa podía hidrolizar el ADN del fago.

Experimento y conclusiones

Hershey y Chase también pudieron probar que el ADN del fago se inserta en la bacteria poco después de que el virus se adhiere a su huésped. Usando una licuadora de alta velocidad, pudieron expulsar los bacteriófagos de las células bacterianas después de la adsorción. La falta de ADN marcado con ³²P que quedaba en la solución después de permitir que los bacteriófagos se adsorbieran en las bacterias mostró que el ADN del fago se transfirió a la célula bacteriana. La presencia de casi todo el ³⁵S radiactivo en la solución mostró que la capa de proteína que protege el ADN antes de la adsorción permaneció fuera de la célula.

Hershey y Chase concluyeron que el material genético era el ADN, no las proteínas. Determinaron que se formó una capa protectora de proteína alrededor del bacteriófago, pero que el ADN interno es lo que le confirió su capacidad para producir descendencia dentro de una bacteria. Demostraron que, en el crecimiento, la proteína no tiene ninguna función, mientras que el ADN tiene alguna función. Lo determinaron a partir de la cantidad de material radiactivo que quedaba fuera de la celda. Solo el 20 % del ³²P permaneció fuera de la célula, lo que demuestra que se incorporó con el ADN en el material genético de la célula. Todo el ³⁵S en las cubiertas de proteína permaneció fuera de la célula, lo que demuestra que no se incorporó a la célula y que la proteína no es el material genético.

El experimento de Hershey y Chase concluyó que poco material que contenía azufre entraba en la célula bacteriana. Sin embargo, no se pueden sacar conclusiones específicas con respecto a si el material que no contiene azufre ingresa a la célula bacteriana después de la adsorción del fago. Fue necesario realizar más investigaciones para concluir que se trataba únicamente de bacteriófagos' ADN que ingresó a la célula y no una combinación de proteína y ADN donde la proteína no contenía azufre.

Discusión

Confirmación

Hershey y Chase concluyeron que no era probable que la proteína fuera el material genético hereditario. Sin embargo, no sacaron ninguna conclusión sobre la función específica del ADN como material hereditario, y solo dijeron que debe tener algún papel indefinido.

La confirmación y la claridad llegaron un año después, en 1953, cuando James D. Watson y Francis Crick formularon correctamente la hipótesis, en su artículo de revista "Estructura molecular de los ácidos nucleicos: una estructura para el ácido nucleico desoxirribosa", el doble estructura helicoidal del ADN, y sugirió el mecanismo de copia por el cual el ADN funciona como material hereditario. Además, Watson y Crick sugirieron que el ADN, el material genético, es responsable de la síntesis de las miles de proteínas que se encuentran en las células. Habían hecho esta propuesta basándose en la similitud estructural que existe entre las dos macromoléculas: tanto la proteína como el ADN son secuencias lineales de monómeros (aminoácidos y nucleótidos, respectivamente).

Otros experimentos

Una vez que se publicó el experimento de Hershey-Chase, la comunidad científica reconoció en general que el ADN era el material del código genético. Este descubrimiento condujo a una investigación más detallada del ADN para determinar su composición y su estructura 3D. Usando cristalografía de rayos X, James Watson y Francis Crick descubrieron la estructura del ADN con la ayuda de evidencia experimental previamente documentada por Maurice Wilkins y Rosalind Franklin.
El conocimiento de la estructura del ADN llevó a los científicos a examinar la naturaleza de la codificación genética y, a su vez, a comprender el proceso de síntesis de proteínas. George Gamow propuso que el código genético estaba compuesto por secuencias de tres pares de bases de ADN conocidas como tripletes o codones que representan uno de los veinte aminoácidos. La codificación genética ayudó a los investigadores a comprender el mecanismo de la expresión génica, el proceso mediante el cual la información de un gen se utiliza en la síntesis de proteínas. Desde entonces, se han realizado muchas investigaciones para modular los pasos en el proceso de expresión génica. Estos pasos incluyen la transcripción, empalme de ARN, traducción y modificación postraduccional que se utilizan para controlar la naturaleza química y estructural de las proteínas. Además, la ingeniería genética brinda a los ingenieros la capacidad de manipular directamente los materiales genéticos de los organismos utilizando técnicas de ADN recombinante. La primera molécula de ADN recombinante fue creada por Paul Berg en 1972 cuando combinó el ADN del virus del mono SV40 con el del fago lambda.

Los experimentos con material hereditario durante la época del experimento de Hershey-Chase a menudo usaban bacteriófagos como organismo modelo. Los bacteriófagos se prestan a experimentos con material hereditario porque incorporan su material genético al material genético de la célula huésped (lo que los convierte en herramientas útiles), se multiplican rápidamente y los investigadores los recolectan fácilmente.

Legado

El experimento de Hershey-Chase, sus predecesores, como el experimento de Avery-MacLeod-McCarty, y los sucesores sirvieron para establecer inequívocamente que la información hereditaria era transportada por el ADN. Este hallazgo tiene numerosas aplicaciones en ciencia forense, investigación criminal y genealogía. Proporcionó los conocimientos previos para futuras aplicaciones en el análisis forense del ADN, donde la toma de huellas dactilares del ADN utiliza datos que se originan en el ADN, no en fuentes de proteínas, para deducir la variación genética.