El grupo de fagos (a veces llamado American Phage Group ) era una red informal de biólogos centrada en Max Delbrück que contribuyó en gran medida a la genética bacteriana y los orígenes de la biología molecular a mediados del siglo XX. El grupo de fagos toma su nombre de los bacteriófagos , los virus que infectan bacterias y que el grupo utilizó como organismos modelo experimentales . Además de Delbrück, importantes científicos asociados con el grupo de los fagos incluyen: Salvador Luria , Alfred Hershey , Seymour Benzer , Charles Steinberg , Gunther Stent , James D. Watson , Frank Stahl y Renato Dulbecco .
Los bacteriófagos habían sido objeto de investigación experimental desde que Félix d'Herelle los aisló y desarrolló métodos para detectarlos y cultivarlos , a partir de 1917. Delbrück, un físico convertido en biólogo que buscaba el sistema experimental más simple posible para investigar las leyes fundamentales de la vida, primero encontró fagos durante una visita en 1937 al laboratorio de moscas de TH Morgan en Caltech . Delbrück no estaba impresionado con el organismo modelo experimentalmente complejo de Morgan, Drosophila , pero otro investigador, Emory Ellis , estaba trabajando con el fago más elemental. Durante los años siguientes, Ellis y Delbrück colaboraron en métodos para contar fagos y seguir las curvas de crecimiento ; establecieron el patrón básico gradual de crecimiento del virus (las características más obvias del ciclo lítico ). [1]
En un artículo retrospectivo, [2] Emory Ellis declaró: "Poco después de que Max Delbruck llegara a la División de Biología de Caltech, con la intención de descubrir cómo su experiencia en ciencias físicas podría aplicarse productivamente a problemas biológicos, le mostré algunas curvas de crecimiento gradual. El primer comentario fue 'No lo creo'". Sin embargo, como describe Ellis, Delbruck pronto disipó esta reacción inicial de incredulidad con su propio análisis del fenómeno, y rápidamente se unió al trabajo con entusiasmo, aportando su formación en matemáticas y física, y un intenso interés por la genética. Sus hallazgos colaborativos iniciales se publicaron en 1939. [3]
El grupo de los fagos surgió alrededor de 1940, después de que Delbrück y Luria se conocieran en una conferencia de física. Delbrück y Salvador Luria iniciaron una serie de experimentos colaborativos sobre los patrones de infección de diferentes cepas de bacterias y bacteriófagos. Pronto establecieron el "principio de exclusión mutua" de que una bacteria individual sólo puede ser infectada por una cepa de fago. En 1943, su "prueba de fluctuación", más tarde denominada experimento de Luria-Delbrück , demostró que las mutaciones genéticas para la resistencia de los fagos surgen en ausencia de selección , en lugar de ser una respuesta a la selección. [4] [5] La sabiduría tradicional entre los bacteriólogos antes de 1943 era que las bacterias no tenían cromosomas ni genes. El experimento de Luria-Delbrück demostró que las bacterias, al igual que otros organismos genéticos modelo establecidos, tienen genes y que éstos pueden mutar espontáneamente para generar mutantes que luego pueden reproducirse para formar linajes clonales. Ese año, también comenzaron a trabajar con Alfred Hershey , otro experimentador de fagos. [6] (Los tres compartirían el Premio Nobel de Fisiología o Medicina de 1969 , "por sus trabajos sobre el mecanismo de replicación y la genética de los virus".)
Hershey, [7] describió retrospectivamente las circunstancias que llevaron al experimento con fagos que realizó con su asistente de investigación, Martha Chase , en 1952, más tarde conocido como el experimento de Hershey-Chase . [8] Este experimento proporcionó evidencia clave de que el ADN, a diferencia de las proteínas, es el material genético del fago y, por lo tanto, el material genético probable en general.
En 1946, Luria hizo un hallazgo que estaba destinado a abrir una nueva perspectiva sobre cómo se logra la estabilidad del ADN (ver Luria, [5] pág. 96). Lo que descubrió fue que cuando, después de la irradiación ultravioleta, dos o más fagos "muertos" entraban en la misma célula bacteriana, a menudo volvían a estar vivos y producían una progenie viva normal. [9] Este fue el primer ejemplo de reactivación de células u organismos que habían sido dañados por la radiación. Interpretó la reactivación, correctamente, como resultado de una recombinación genética (ver también recombinación homóloga ). James Watson (futuro codescubridor de la estructura Watson-Crick del ADN en 1953 y ganador del Premio Nobel en 1962), fue el primer estudiante de posgrado de Luria en la Universidad de Indiana. Como proyecto de tesis doctoral, Watson demostró que los fagos radiografiados pueden participar en la recombinación genética y la reactivación de la multiplicidad .
Como lo recuerda Luria (1984, [5] pág. 97), el descubrimiento de la reactivación de fagos irradiados (denominada " reactivación de multiplicidad ") inició inmediatamente una oleada de actividad en el estudio de la reparación del daño por radiación dentro del grupo de fagos tempranos ( revisado por Bernstein [10] en 1981). Más tarde resultó que la reparación de fagos dañados mediante ayuda mutua que Luria había descubierto era sólo un caso especial de reparación del ADN. Ahora se sabe que las células de todo tipo, no sólo las bacterias y sus virus, sino todos los organismos estudiados, incluidos los humanos, tienen procesos bioquímicos complejos para reparar los daños del ADN (consulte Reparación del ADN ). Ahora también se reconoce que los procesos de reparación del ADN desempeñan un papel fundamental en la protección contra el envejecimiento, el cáncer y la infertilidad.
Jim Watson , en un artículo retrospectivo, [11] describió sus primeras experiencias como estudiante con Luria en 1947. Al parecer, según Watson "...muchos estudiantes tenían miedo de Luria, que tenía fama de ser arrogante con las personas que estaban equivocadas". Sin embargo, a medida que avanzaba el semestre de otoño, Watson "no vio evidencia de la rumoreada desconsideración hacia los imbéciles". Así, sin verdaderas reservas (excepto por el temor ocasional de no ser lo suficientemente inteligente para moverse en su círculo), le preguntó a Luria si podía realizar investigaciones bajo su dirección en el semestre de primavera. Luria rápidamente dijo que sí y le dio a Watson la tarea de estudiar la reactivación de la multiplicidad de fagos inducida por rayos X como se describió anteriormente. El único otro científico en el laboratorio de Luria en ese momento, con quien Watson compartía mesa de laboratorio, era Renato Dulbecco (un futuro miembro del grupo de los fagos), que había llegado recientemente de Italia para realizar experimentos sobre la reactivación de la multiplicidad de los fagos. Más tarde ese semestre (1948), Watson conoció, por primera vez, a Delbruck, quien estaba de visita brevemente en Luria. Watson [11] escribió: "Casi desde la primera frase de Delbruck, supe que no me iba a decepcionar. No se andaba con rodeos y la intención de sus palabras siempre fue clara. Pero aún más importante para mí fue su apariencia juvenil y espíritu." Watson señaló que en esta ocasión, como en muchas ocasiones posteriores, Delbruck habló de Bohr (el físico) y su creencia de que un principio de complementariedad, tal vez como el necesario para comprender la mecánica cuántica, sería la clave para la comprensión real de la biología.
En 1950, Renato Dulbecco, ahora en Caltech con Delbrück, desarrolló un procedimiento para analizar partículas de virus animales mediante la formación de placas en una hoja de células cultivadas, del mismo modo que los fagos forman placas en un césped de células bacterianas. Este procedimiento preparó el escenario para que Dulbecco implementara un programa de investigación integral para estudios cuantitativos sobre virus animales para comprender su ciclo reproductivo intracelular. Este trabajo fue reconocido con el Premio Nobel en 1975. [12]
Después del descubrimiento de la estructura del ADN en 1953, todavía no estaba claro cómo se replicaba el ADN. El modelo preferido en ese momento era la replicación semiconservativa, pero se necesitaban pruebas experimentales. El experimento Meselson-Stahl , [13] realizado por Matthew Meselson y Franklin Stahl en 1958, fue el experimento clave que proporcionó evidencia convincente de replicación semiconservativa, el mecanismo que ahora se sabe que es correcto. Meselson y Stahl describieron las circunstancias que llevaron a este experimento clave. [14] Desde entonces ha sido descrito como el "Experimento más bello de la biología". [15] Su belleza está ligada a la sencillez del resultado, aunque el camino que condujo al experimento distó mucho de ser sencillo.
Como se describe en un artículo retrospectivo, [16] Seymour Benzer se unió al grupo de fagos de Delbrück en Caltech en 1949 como becario postdoctoral. Allí compartió una sala de laboratorio con Jean Weigle donde realizaron experimentos colaborativos con el fago T4. Al dejar Caltech, Benzer continuó experimentos con el fago T4 en el Instituto Pasteur de París y luego en la Universidad Purdue, donde desarrolló un sistema para estudiar la estructura fina del gen utilizando mutantes defectuosos en los genes rIIA y rIIB. [17] [18] Estos experimentos genéticos, que involucraron cruces de mutantes rII, llevaron al hallazgo de un orden lineal único de sitios mutacionales dentro de los genes. Este resultado proporcionó pruebas sólidas de la idea clave de que el gen tiene una estructura lineal equivalente a una longitud de ADN con muchos sitios que pueden mutar de forma independiente.
En 1952, Salvador Luria había descubierto el fenómeno de la "modificación de restricción" (la modificación de los fagos que crecen dentro de una bacteria infectada, de modo que tras su liberación y la reinfección de una bacteria relacionada el crecimiento del fago se restringe) (descrito por Luria, [5] págs.45 y 99). Weigle, en colaboración con Giuseppe Bertani y Werner Arber , pronto aclaró la base de este fenómeno. Demostraron que la restricción se debía en realidad al ataque de enzimas bacterianas específicas al ADN del fago modificado. Este trabajo condujo al descubrimiento de la clase de enzimas que ahora se conocen como " enzimas de restricción ". Estas enzimas permitieron la manipulación controlada del ADN en el laboratorio, sentando así las bases para el desarrollo de la ingeniería genética.
Weigle también demostró la naturaleza inducible de los genes de respuesta al daño del ADN en bacterias, un fenómeno que se conoce como respuesta SOS . Esta respuesta incluye mutagénesis inducible por daño al ADN (denominada mutagénesis de Weigle en su honor) y reparación inducible después de un daño en el ADN (denominada reactivación de Weigle).
En 1961, Sydney Brenner , uno de los primeros miembros del grupo de los fagos, colaboró con Francis Crick, Leslie Barnett y Richard Watts-Tobin en el Laboratorio Cavendish de Cambridge para realizar experimentos genéticos que demostraron la naturaleza básica del código genético de las proteínas. [19] Estos experimentos, realizados con mutantes del gen rIIB del fago T4, mostraron que, para un gen que codifica una proteína, tres bases secuenciales del ADN del gen especifican cada aminoácido sucesivo de la proteína. Por tanto, el código genético es un código triplete, donde cada triplete (llamado codón) especifica un aminoácido particular. También obtuvieron pruebas de que los codones no se superponen entre sí en la secuencia de ADN que codifica una proteína y que dicha secuencia se lee desde un punto de partida fijo.
Gunther Stent se unió al grupo de fagos en 1948 después de realizar su curso de fagos en Cold Spring Harbor, Nueva York. Las discusiones informales en curso entre estos trabajadores sobre el progreso de su investigación llevaron a un libro de Stent titulado Molecular Biology of Bacterial Viruses (dedicado a Max Delbrück) [20] que era un relato lúcido de los logros en este campo emergente hasta 1963. Posteriormente, en sus memorias, Stent (1998) describió algunas de las actividades e interacciones personales que ilustraron el espíritu intelectual único del grupo de los fagos durante sus primeros años cruciales (1948-1950). [21]
Delbrück, a través de su encanto y entusiasmo, atrajo a muchos biólogos (y físicos) a la investigación de fagos a principios de la década de 1940 (ver: Charles Steinberg ). [22] En 1944, Delbrück promovió el "Tratado de fagos", un llamamiento para que los investigadores de fagos se centraran en un número limitado de fagos y cepas bacterianas, con condiciones experimentales estandarizadas. Esto ayudó a que las investigaciones de diferentes laboratorios fueran más fácilmente comparables y replicables, ayudando a unificar el campo de la genética bacteriana . [23]
Aparte de las colaboraciones directas, el principal legado del grupo de fagos resultó del curso anual de verano sobre fagos impartido en el Laboratorio Cold Spring Harbor y esporádicamente en Caltech. A partir de 1945, Delbrück y otros enseñaron a jóvenes biólogos los fundamentos de la biología y la experimentación con fagos, inculcando el enfoque distintivo de la biología orientado a las matemáticas y la física del grupo de fagos. Muchos de los líderes del campo emergente de la biología molecular fueron alumnos del curso sobre fagos, que continuó impartiéndose durante las décadas de 1950 y 1960. [24] [25]
En 1995, Millard Susman publicó un artículo retrospectivo sobre el curso de los fagos tal como se desarrolló a lo largo de los años (1945 – 1970) tanto en Cold Spring Harbor (Nueva York) como en el Instituto de Tecnología de California. [26] El artículo enumera a muchos de los graduados del curso, describe algunos de sus logros y proporciona anécdotas interesantes relacionadas con el curso. Richard Feynman , el distinguido físico teórico de Caltech, aprendió a trabajar con fagos durante el verano de 1961 con la ayuda de Charles M. Steinberg , y sus resultados experimentales se incluyeron en una publicación de Edgar et al. [27]
El aislamiento de mutantes letales condicionales de fagos durante 1962-1964 por parte de los miembros del grupo de fagos brindó la oportunidad de estudiar la función de prácticamente todos los genes que son esenciales para el crecimiento del fago en condiciones de laboratorio. [28] [29] Una clase de mutantes letales condicionales se conoce como mutantes ámbar . [30] Estos mutantes fueron aislados y caracterizados genéticamente por Richard Epstein, Antoinette Bolle y Charles M. Steinberg [31] en 1962 (aunque la publicación de sus hallazgos iniciales se retrasó 50 años: ver Epstein et al., 2012. [32] ). Epstein et al. describieron una caracterización genética más completa de los mutantes ámbar. en 1964. [33] Robert Edgar e Ilga Lielausis obtuvieron otra clase de mutantes letales condicionales, denominados mutantes sensibles a la temperatura. [34] Los estudios de estas dos clases de mutantes condujeron a una comprensión considerable de numerosos problemas biológicos fundamentales. De esta manera se logró comprender las funciones e interacciones de las proteínas empleadas en la maquinaria de replicación, reparación y recombinación del ADN, y cómo se ensamblan los virus a partir de componentes de proteínas y ácidos nucleicos (morfogénesis molecular). Además, se aclaró el papel de los codones de terminación de cadena. Sydney Brenner y sus colaboradores realizaron un estudio digno de mención utilizando mutantes ámbar defectuosos en el gen que codifica la proteína principal principal del fago T4. [35] Este experimento proporcionó pruebas sólidas para la "hipótesis de la secuencia", ampliamente sostenida, pero antes de 1964 aún no probada, de que la secuencia de aminoácidos de una proteína está especificada por la secuencia de nucleótidos del gen que determina la proteína. Por tanto, este estudio demostró la colinealidad del gen con su polipéptido codificado.
