El transcriptor de ADN

La Reforma protestante acab¨® en media Europa, en el siglo XVI, con la principal fuente de ingresos de los pintores, los cuadros y retablos de altar, considerados idolatr¨ªa. Una salida para los artistas fue pintar retratos y escenas m¨¢s mundanas que las alegor¨ªas de santos. Paisaje invernal con trampa para p¨¢jaros es una preciosa obra de Pieter Brueghel el Viejo, pintada en 1565. Nos muestra un pueblo flamenco nevado, con un r¨ªo helado que lo atraviesa, lleno de alegres patinadores. A la derecha, entre los ¨¢rboles, en un plano m¨¢s cercano, est¨¢ la trampa para p¨¢jaros. Hay varias copias de este cuadro. Parece que la original es la del Museo de Arte Antiguo de Bruselas. En el Prado hay otra, pero el autor es Pieter Brueghel el Joven, tambi¨¦n conocido como Brueghel d'Enfer, y est¨¢ pintada 65 a?os despu¨¦s del original. Cuesta distinguirlas: las mismas casas, la misma iglesia, el mismo r¨ªo helado con los patinadores. S¨®lo si contamos los p¨¢jaros alrededor de la trampa veremos que el hijo pint¨® un p¨¢jaro de m¨¢s. Pieter Brueghel el Viejo muri¨® cuando su hijo apenas ten¨ªa 5 a?os y dif¨ªcilmente pudo ser su maestro. La habilidad se la transmiti¨® por otra v¨ªa.

El ribosoma no entiende el ADN, s¨®lo sabe leer el ARN, una mol¨¦cula m¨¢s antigua

Como es sabido, en el ADN reside la informaci¨®n gen¨¦tica, es un libro de instrucciones. Para poder pasarnos una copia de este valioso manual, las c¨¦lulas germinales de nuestros padres tuvieron que replicar su ADN como ocurre, en general, antes de la divisi¨®n celular. Tarea nada f¨¢cil: Se necesitan unas prote¨ªnas o enzimas llamadas polimerasas capaces de copiar, con fidelidad amanuense, los millones de letras que describen nuestros genes. En 1959 el cient¨ªfico estadounidense Arthur Kornberg -el viejo- recog¨ªa en Estocolmo el premio Nobel de Fisiolog¨ªa por el descubrimiento de un enzima bacteriano capaz de polimerizar -es decir, enganchar uno tras otro- los desoxirribonucle¨®tidos que son las letras del alfabeto gen¨¦tico. Copiar ADN en ADN es esencial para la vida y parecer¨ªa que no hay enzima m¨¢s importante en este planeta que la polimerasa de ADN. Pero tal vez la hay.

La informaci¨®n gen¨¦tica reside en el ADN pero esta larga mol¨¦cula helicoidal es m¨¢s bien pasiva. Quien hace el trabajo duro son las prote¨ªnas. Si nos movemos, si digerimos, si respiramos, si pensamos, ?si replicamos ADN! es gracias a las prote¨ªnas. Las instrucciones para construir la variada cohorte proteica est¨¢n en el ADN y la m¨¢quina capaz de sintetizarlas todas se llama ribosoma. El problema es que el ribosoma no entiende las instrucciones del ADN. S¨®lo sabe leer otra mol¨¦cula m¨¢s antigua llamada ARN. Es como si el operario no supiera leer las instrucciones en castellano, s¨®lo en lat¨ªn. La soluci¨®n es obvia: transcribamos el libro de instrucciones del castellano al lat¨ªn y listo. Es exactamente lo que ocurre en nuestras c¨¦lulas: se trascribe ADN en ARN, el llamado mensajero. El enzima capaz de hacer este prodigio y que disputa el protagonismo a la que descubri¨® Arthur Kornberg -el viejo- es la polimerasa de ARN.

Pues bien, Roger Kornberg -el joven-, profesor de la Universidad de Stanford, en la ciudad californiana de Palo Alto, acaba de recibir el premio Nobel de Qu¨ªmica por resolver la estructura tridimensional de la polimerasa de ARN y elucidar el mecanismo de s¨ªntesis de ARN a partir de ADN, o sea, por describir con un detalle asombroso la trascripci¨®n eucariota (la de los organismos con c¨¦lulas con n¨²cleo, como las de los humanos). Hacer esto ha sido un trabajo herc¨²leo. La polimerasa de ARN (la que se ha resuelto es, concretamente, la polimerasa II de levadura) es una mol¨¦cula extraordinariamente compleja. En realidad, no se trata de una sola prote¨ªna sino de 12 que forman un enorme aglomerado de 0,5 megadalton de peso. Por si el complejo de la polimerasa de ARN parec¨ªa poca cosa, los investigadores del equipo de Kornberg a?adieron un trozo de ADN, equivalente al molde que se tiene que copiar y, m¨¢s adelante, un trozo de ARN, equivalente a la copia o transcripto naciente. Para obtener la visi¨®n detallada, a escala at¨®mica, de esta descomunal m¨¢quina molecular el equipo de Kornberg emple¨® una t¨¦cnica llamada difracci¨®n de Rayos X. Consiste en bombardear peque?os cristales de prote¨ªna (complejo proteico, en este caso) con un fin¨ªsimo haz de Rayos X de alt¨ªsima intensidad, en un sincrotr¨®n. Con las im¨¢genes de difracci¨®n obtenidas se puede llegar a reconstruir, tras complicados c¨¢lculos matem¨¢ticos y el empleo de ordenadores gr¨¢ficos, la estructura tridimensional del complejo.

Hoy en d¨ªa la mayor¨ªa de los estudios estructurales se hacen con prote¨ªnas recombinantes, esto es, con prote¨ªnas cuyos genes han sido clonados dentro de bacterias que son forzadas a producir prote¨ªna sin pausa. Un cultivo bacteriano de un par de litros puede bastar para obtener cantidad suficiente de nuestra prote¨ªna ya que ¨¦sta, y no las suyas propias, es la que se ven obligadas a producir masivamente las bacterias modificadas. Una vez extra¨ªda y purificada, la prote¨ªna se puede intentar cristalizar. Con la polimerasa de ARN esta t¨¦cnica recombinante no era posible, hab¨ªa que purificar directamente el complejo, tal cual est¨¢ en la c¨¦lula. Como en cada c¨¦lula hay muy poca cantidad de polimerasa, a Kornberg y sus colaboradores no les qued¨® m¨¢s remedio que preparar cultivos enormes de levadura (?10.000 litros hasta obtener los primeros datos de difracci¨®n a baja resoluci¨®n!), y poner a punto un m¨¦todo ingenioso de extracci¨®n y purificaci¨®n que no desmontara el delicado complejo a cristalizar. Les cost¨® m¨¢s de 10 a?os pero, al fin, consiguieron purificar y cristalizar la polimerasa con 10 de sus 12 subunidades. Sin embargo, los problemas no se hab¨ªan acabado. Los cristales no eran lo bastante buenos, s¨®lo difractaban a baja resoluci¨®n, insuficiente para resolver la estructura tridimensional.

Fue entonces, en 1999, cuando Patrick Cramer, un investigador alem¨¢n, se incorpor¨® como postdoc al laboratorio de Kornberg. En poco tiempo, dio con la clave para superar el escollo: observ¨® que los cristales de polimerasa pod¨ªan encogerse al deshidratarlos poco a poco a?adi¨¦ndoles cantidades crecientes de polietilenglicol -una sustancia parecida al anticongelante de autom¨®vil-. Al perder agua y encogerse, los cristales de la polimerasa aumentaban su orden interno y difractaban los Rayos X a mucha mayor resoluci¨®n, suficiente, ahora s¨ª, para resolver el rompecabezas. Pero la cosa a¨²n no fue pan comido. Debido al desorbitado tama?o de la polimerasa, Cramer tuvo que introducir enormes clusters de metales pesados en los cristales que, localizados primero, le sirvieron para obtener un mapa interpretable por el que trazar el camino que siguen las cadenas polipept¨ªdicas que conforman el complejo enzim¨¢tico.

La primera estructura tridimensional de la polimerasa de ARN eucariota fue descrita en la revista Science en el a?o 2001, en un impactante art¨ªculo en el que Patrick Cramer figura como primer autor entre 10. Roger Kornberg, el director de esta larga investigaci¨®n, es el ¨²ltimo autor del art¨ªculo, como dictan los c¨¢nones de las publicaciones cient¨ªficas.

El ADN se hereda y el talento, a veces, tambi¨¦n. Brueghel d'Enfer, aunque no fue un pintor imaginativo como su padre, era capaz de pintar un cuadro tan bonito como el de su progenitor. Roger Kornberg tampoco se ha quedado corto siguiendo la estela de su padre. Cuando el lunes de la semana pasada le llamaron desde el Instituto Karolinska para comunicarle la concesi¨®n del premio Nobel eran las tres de la ma?ana en Palo Alto. Hubo una rueda de prensa por tel¨¦fono y, al final, un periodista le pregunt¨® c¨®mo se sent¨ªa al recibir el premio cient¨ªfico m¨¢s valorado, 47 a?os despu¨¦s de haber acompa?ado a su propio padre a Estocolmo a recoger el suyo. "Todav¨ªa estoy temblando", contest¨® con voz entrecortada.

Miquel Coll es profesor de investigaci¨®n del CSIC en el IRB/IBMB.