Los experimentos de Hershey-Chase fueron una serie de experimentos realizados en 1952 [1] por Alfred Hershey y Martha Chase que ayudaron a confirmar que el ADN es material genético .
Aunque los biólogos conocían el ADN desde 1869, [2] muchos científicos todavía asumían en ese momento que las proteínas transportaban la información para la herencia porque el ADN parecía ser una molécula inerte y, dado que se encuentra en el núcleo, se consideraba que su función era la de almacenar fósforo. En sus experimentos, Hershey y Chase demostraron que cuando los bacteriófagos , que están compuestos de ADN y proteínas, infectan bacterias, su ADN ingresa a la célula bacteriana huésped, pero la mayor parte de su proteína no lo hace. Hershey y Chase y los descubrimientos posteriores sirvieron para demostrar que el ADN es el material hereditario.
Hershey compartió el Premio Nobel de Fisiología o Medicina de 1969 con Max Delbrück y Salvador Luria por sus "descubrimientos sobre la estructura genética de los virus". [3]
A principios del siglo XX, los biólogos pensaban que las proteínas contenían información genética, basándose en la creencia de que eran más complejas que el ADN. La influyente "hipótesis del tetranucleótido" de Phoebus Levene , que proponía incorrectamente que el ADN era un conjunto repetido de nucleótidos idénticos , apoyaba esta conclusión. Los resultados del experimento de Avery-MacLeod-McCarty , publicado en 1944, sugerían que el ADN era el material genético, pero todavía había algunas dudas dentro de la comunidad científica general para aceptar esto, lo que preparó el terreno para el experimento de Hershey-Chase. [4]
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. [ cita requerida ]
Hershey y Chase necesitaban poder examinar por separado las distintas partes de los fagos que estaban estudiando, por lo que necesitaban distinguir las subsecciones de los fagos. Se sabía que los virus estaban compuestos por una capa de proteína y ADN, por lo que decidieron etiquetar de forma única cada uno 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 utilizó fósforo-32 radiactivo para etiquetar el ADN contenido en el fago T2 . Se utilizó azufre-35 radiactivo para etiquetar las secciones proteínicas del fago T2, porque el azufre está contenido en las proteínas pero no en el ADN. [5]
Hershey y Chase insertaron los elementos radiactivos en los bacteriófagos añadiendo los isótopos a medios separados dentro de los cuales se permitió que las bacterias crecieran durante 4 horas antes de la introducción de los bacteriófagos. Cuando los bacteriófagos infectaron 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 a las bacterias no marcadas. Las capas de los fagos permanecieron en el exterior de las bacterias, mientras que el material genético entró. La ruptura de los fagos de las bacterias mediante agitación en una licuadora seguida de centrifugación permitió la separación de las capas de los fagos de las bacterias. Estas bacterias se lisaron para liberar la progenie de los fagos. La progenie de los fagos que fueron marcados con fósforo radiactivo permaneció marcada, mientras que la progenie de los fagos marcados con azufre radiactivo no lo estuvo. Así, el experimento de Hershey-Chase ayudó a confirmar que el ADN, no las proteínas, es el material genético. [5]
Hershey y Chase demostraron que la introducción de desoxirribonucleasa (conocida como DNasa ), una enzima que descompone el ADN, en una solución que contenía los bacteriófagos marcados no introducía 32 P 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 creó efectivamente una solución que contenía la mayor parte del 32 P y una solución más pesada que contenía estructuras llamadas "fantasmas" que contenían el 35 S y la capa proteica del virus. Se descubrió que estos "fantasmas" podían adsorberse a las bacterias que eran susceptibles a T2, aunque no contenían ADN y eran simplemente los restos de la cápsula viral original. Concluyeron que la proteína protegía al ADN de la DNasa, pero que una vez que los dos se separaban y el fago se inactivaba, la DNasa podía hidrolizar el ADN del fago. [1]
Hershey y Chase también pudieron demostrar que el ADN del fago se inserta en la bacteria poco después de que el virus se adhiere a su huésped. Utilizando una batidora de alta velocidad, pudieron expulsar a los bacteriófagos de las células bacterianas después de la adsorción . La falta de ADN marcado con 32 P que quedaba en la solución después de que los bacteriófagos se habían adsorbido a la bacteria mostró que el ADN del fago se transfirió a la célula bacteriana. La presencia de casi todo el 35 S radiactivo en la solución mostró que la capa de proteína que protege el ADN antes de la adsorción permaneció fuera de la célula. [1]
Hershey y Chase concluyeron que el ADN, no la proteína, era el material genético. Determinaron que se formaba una capa de proteína protectora alrededor del bacteriófago, pero que el ADN interno es lo que le confiere la capacidad de producir progenie 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 célula. Sólo el 20% del 32 P permaneció fuera de la célula, lo que demuestra que se incorporó con el ADN en el material genético de la célula. Todo el 35 S en las capas 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. [ cita requerida ]
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 sobre si el material que no contiene azufre entra en la célula bacteriana después de la adsorción del fago. Fue necesario realizar más investigaciones para concluir que era únicamente el ADN de los bacteriófagos el que entraba en la célula y no una combinación de proteína y ADN en la que la proteína no contenía azufre.
Hershey y Chase concluyeron que no era probable que las proteínas fueran el material genético hereditario. Sin embargo, no llegaron a ninguna conclusión sobre la función específica del ADN como material hereditario y se limitaron a afirmar que debía tener algún papel indefinido. [1] [6]
La confirmación y la claridad llegaron un año después, en 1953, cuando James D. Watson y Francis Crick plantearon correctamente, en su artículo de revista Molecular Structure of Nucleic Acids: A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid , la hipótesis de la estructura de doble hélice del ADN, y sugirieron 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). [7]
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, así como su estructura 3D. Utilizando la cristalografía de rayos X , la estructura del ADN fue descubierta por James Watson y Francis Crick con la ayuda de evidencia experimental previamente documentada por Maurice Wilkins y Rosalind Franklin . [8] 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. [9] La codificación genética ayudó a los investigadores a comprender el mecanismo de expresión génica , el proceso por 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 del proceso de expresión génica. Estos pasos incluyen la transcripción , el empalme del ARN , la traducción y la modificación postraduccional que se utilizan para controlar la naturaleza química y estructural de las proteínas. [10] 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 . [11]
Los experimentos con material hereditario realizados durante la época del experimento Hershey-Chase solían utilizar bacteriófagos como organismo modelo . Los bacteriófagos son adecuados para 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 con facilidad. [6]
El experimento de Hershey-Chase, sus predecesores, como el experimento de Avery-MacLeod-McCarty , y los sucesores sirvieron para establecer de manera inequívoca que la información hereditaria se transportaba por el ADN. Este hallazgo tiene numerosas aplicaciones en la ciencia forense , la investigación criminal y la genealogía . Proporcionó los conocimientos de base para futuras aplicaciones en la ciencia forense del ADN, donde la huella genética del ADN utiliza datos que se originan a partir del ADN, no de fuentes proteínicas, para deducir la variación genética . [12]