Microbios Binarios

Del cuaderno de un biólogo...

PCR, extremófilos y vida extraterrestre

DNA Surfer vs. La Gran Ola de Kanagawa

La idea de la Reacción en Cadena de la Polimerasa nació en el cerebro de Kari Mullis durante la noche de un viernes de primavera de 1983. Mullis se dirigía a su cabaña de fin de semana por un largo y sinuoso camino entre Cloverdale y Booneville en el condado de Mendocino, California. Quizás ni el propio Mullis tenga la certeza de que la chispa de genio haya llegado en la milla 46.58 de la autopista 128 pero parece que en ese preciso momento la idea paso de su cerebro al papel. A nosotros nos quedará la duda sobre los factores que promovieron la idea: el calor, el aroma de los castaños, la sinuosidad del camino, su novia Jeny, su Honda Civic plateado o su pensamiento  obstinado de cómo resolver el problema de encontrar una secuencia particular de ADN en un genoma (1,2).

Dancing Naked in the Mind Field

Una idea similar a la de Mullis había sido descripta en 1971 por Kjell Kleppe quien trabajaba en el laboratorio de Gobind Khorana, sin embargo no fue publicado ningún resultado a partir de la misma (3):
"... one would hope to obtain two structures, each containing the full length of the template strand appropriately complexed with the primer. DNA polymerase will be added to complete the process of repair replication. Two molecules of the original duplex should result. The whole cycle could be repeated, there being added every time a fresh dose of the enzyme." 

“Uno podría esperar obtener dos estructuras, cada uno conteniendo una cadena de templado de tamaño completo formando un complejo con el cebador. La ADN polimerasa deberá agregarse para completar el proceso de replicación reparación. Dos moléculas del dúplex original deberían resultar. El ciclo completo podría ser repetido, agregando cada vez que una nueva dosis de la enzima".

El primer artículo sobre la aplicación de la técnica de PCR fue publicado en la revista Science en 1985 y se refería a la amplificación de las secuencias genómicas de la beta-globina. El objetivo del trabajo fue encontrar la mutación para la anemia de células falciformes o anemia drepanocítica (sickle cell anaemia) a partir de muestras clínicas (4).

En las primeras reacciones de PCR se utilizó una enzima termolábil (4,5), la ADN polimerasa I de Escherichia coli, en realidad el fragmento de Klenow (6), y se debía agregar polimerasa fresca luego de cada ciclo ya que la misma se desnaturalizaba. En el trabajo de Saiki de 1988 (7) se incorporó una polimerasa termoestable purificada a partir de una bacteria termófila,  Thermus aquaticus (Taq), que podía sobrevivir a una incubación prolongada a 95°C.

T. aquaticus fue hallada en 1969 por Thomas D. Brock y Hudson Freeze de la Universidad de Indiana (Pasaremos por alto el chascarrillo obvio que “Freeze descubriera a Thermus”) en la cuenca inferior de los géiseres del parque nacional de Yellowstone, cerca de los grandes géiseres Great Fountain y White Dome y luego encontrada en otros hábitats termales similares de otra partes del mundo (8,9). La Taq Polimerasa fue descripta por Alice Chien, David B. Edgar y John M. Trela de la Universidad de Cincinnati en 1976 (10).

Pfu es otra ADN polimerasa utilizada comúnmente en los laboratorios de biología molecular. Pfu procede de la arqueobacteria Pyrococcus furiosus, organismo aislado de sedimentos marinos calentados geotérmicamente en la isla de Vulcano, Italia por Karl Stetter y Gerhard Fiala de la Universidad Regensburg, Alemania (11).

Thermus aquaticus y Pyrococcus furiosus pertenece a un conjunto de organismos conocidos como extremófilos: organismos que pueden vivir en condiciones extremas de temperatura, presión, acidez, concentración de sales, en presencia de compuestos tóxicos o radiación (12,13).

El descubrimiento de los extremófilos coincide con un re-posicionamiento de la teoría de la Panspermia (del griego pan: todo y sperma: semilla). Esta teoría postula que la vida en la Tierra podría tener un origen extraterrestre (los primeros organismos o protoorganismos provienen de otras regiones del universo y habrían sido transportados a la Tierra por meteoritos).

Si bien, en teoría, el viaje interespacial de microorganismos supondría la exposición a condiciones extremas de vacío, radiación UV y radiación cósmica potencialmente letales (14) algunos experimentos realizados en la Estación Espacial Internacional  demuestran “que algunas de las comunidades de microbios más robustas provenientes de regiones hostiles extremas de la Tierra son parcialmente resistentes a los más hostiles ambientes del espacio exterior”(15).

     

Francis Crick

Finalmente el descubridor de la doble hélice Francis Crick junto con Leslie Orgel propusieron en 1971 una teoría, conocida como Panspermia Dirigida,  donde se señala la posibilidad de que la vida haya sido dispersada de manera deliberada por una civilización extraterrestre. Los autores describieron su teoría como una "propuesta muy poco ortodoxa" y  una "especulación atrevida" pero finalmente como una hipótesis científica plausible (16,17,18).

Bibliografía

1- Dancing Naked in the Mind Field. Kary Mullis. Random House LLC, 2010. El libro refleja la excentricidad de su autor y trata temas que van desde la PCR hasta la astrología. Ver!

2- Making PCR: A Story of Biotechnology. Paul Rabinow. University of Chicago Press, 1996. Ver!

3 – Studies on polynucleotides. XCVI. Repair replications of short synthetic DNA's as catalyzed by DNA polymerases. Kleppe K, Ohtsuka E, Kleppe R, Molineux I, Khorana HG. J Mol Biol. 1971 Mar 14;56(2):341-61. PMID: 4927950. PubMed

4- Enzymatic amplification of beta-globin genomic sequences and restriction site analysis for diagnosis of sickle cell anemia.  Saiki RK, Scharf S, Faloona F, Mullis KB, Horn GT, Erlich HA, Arnheim N. Science. 1985 Dec 20;230(4732):1350-4. PMID: 2999980. PubMed.

5- Specific enzymatic amplification of DNA in vitro: the polymerase chain reaction. Mullis K, Faloona F, Scharf S, Saiki R, Horn G, Erlich H. Cold Spring Harb Symp Quant Biol. 1986;51 Pt 1:263-73. PMID: 3472723. PubMed.

6- El fragmento de Klenow es obtenido a partir de la ADN polimerasa I de E. coli luego del tratamiento con la proteasa subtilisina. Mantiene la actividad polimerasa 5’ → 3’ y la actividad exonucleasa 3’ → 5’ pero carece de actividad exonucleasa 5' → 3'. Cita del trabajo original: Selective elimination of the exonuclease activity of the deoxyribonucleic acid polymerase from Escherichia coli B by limited proteolysis. Klenow H, Henningsen I. Proc Natl Acad Sci U S A. 1970 Jan;65(1):168-75. PMID: 4905667. Pubmed. Ver! 

7-Primer-directed enzymatic amplification of DNA with a thermostable DNA polymerase. Saiki RK, Gelfand DH, Stoffel S, Scharf SJ, Higuchi R, Horn GT, Mullis KB, Erlich HA. Science. 1988 Jan 29;239(4839):487-91. PMID: 2448875. PubMed.

8- Thermus aquaticus gen. n. and sp. n., a nonsporulating extreme thermophile. Brock TD, Freeze H. J Bacteriol. 1969 Apr;98(1):289-97. PMID: 5781580. PubMed. Ver!

9-   Life at High Temperatures. Thomas Brock. Un apasionante ensayo de descarga gratuita (en inglés). Ver!

10-Deoxyribonucleic acid polymerase from the extreme thermophile Thermus aquaticus. Chien A, Edgar DB, Trela JM. J Bacteriol. 1976 Sep;127(3):1550-7. PMID: 8432. PubMed. Ver!

11- Pyrococcus furiosus sp. nov. represents a novel genus of marine heterotrophic archaebacteria growing optimally at 100 °C. Fiala G y Stetter KO. Archives of Microbiology 145:  pp. 56–61, 1986. Ver! 

12- Extremófilos.Artículo de Wikipedia. Ver!

13- Extremophiles Handbook .Koki Horikoshi. Springer, 2011. Ver!

14- EXPOSE, an Astrobiological Exposure Facility on the International Space Station - from Proposal to Flight . E Rabbow, G Horneck, P Rettberg, Jobst-Ulrich Schott, C Panitz, A L’Afflitto, R von Heise-Rotenburg, R Willnecker, P Baglioni, J Hatton, J Dettmann,  R Demets y G Reitz. Orig Life Evol Biosph. DOI 10.1007/s11084-009-9173-6. Ver!

15- Survival of rock-colonizing organisms after 1.5 years in outer space.  Onofri S, de la Torre R, de Vera JP, Ott S, Zucconi L, Selbmann L, Scalzi G, Venkateswaran KJ, Rabbow E, Sánchez Iñigo FJ, Horneck G. Astrobiology. 2012 May;12(5):508-16. doi: 10.1089/ast.2011.0736. PMID: 22680696. PubMed.

16- Artículo de Crick sobre Panspermia Dirigida. Ver!

17- Life Itself: Its Origin and Nature. Francis Crick. Simon and Schuster, 1982.

18- The Origins of Directed Panspermia. Christian Orlic. 2013. Scientific American Blog

Ver!

¿Qué son los extremófilos? - Kara Rogers, Editora Senior de Biomedical Sciences discute la definición de extremófilo (en inglés).

Conferencia Astrobiología y Exploración Espacial. Profesora Lynn Rothschild Investigadora de Biología Sintética, Instituto de Astrobiología NASA, Centro de Investigación Ames (en inglés).