El grupo de los fagos (a veces llamado el Grupo Americano de Fagos ) fue 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 los fagos toma su nombre de los bacteriófagos , los virus que infectan bacterias que el grupo utilizó como organismos modelo experimentales . Además de Delbrück, los científicos importantes asociados con el grupo de los fagos incluyen a: 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 había aislado y desarrollado 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, se encontró por primera vez con los 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 siguientes años, Ellis y Delbrück colaboraron en métodos de recuento de fagos y seguimiento de curvas de crecimiento ; establecieron el patrón básico paso a paso del crecimiento del virus (las características más obvias del ciclo lítico ). [1]
En un artículo retrospectivo, [2] Emory Ellis afirmó: "Poco después de que Max Delbruck llegara a la División de Biología de Caltech, con la intención de descubrir cómo su formación en ciencias físicas podía aplicarse de forma productiva a los problemas biológicos, le mostré algunas curvas de crecimiento escalonado. Su 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 se unió rápidamente al trabajo con entusiasmo, aportando su formación en matemáticas y física, y su intenso interés por la genética. Sus hallazgos colaborativos iniciales se publicaron en 1939. [3]
El grupo de fagos comenzó alrededor de 1940, después de que Delbrück y Luria se conocieran en una conferencia de física. Delbrück y Salvador Luria comenzaron 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 solo puede ser infectada por una cepa de fago. En 1943, su "prueba de fluctuación", más tarde llamada el experimento de Luria-Delbrück , mostró que las mutaciones genéticas para la resistencia a 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 mostró que las bacterias, como otros organismos genéticos modelo establecidos, tienen genes, y que estos 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 su trabajo 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, conocido más tarde como el experimento 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 descubrimiento 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 UV, dos o más fagos "muertos" entraron en la misma célula bacteriana, a menudo se volvieron vivos nuevamente y produjeron 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 la 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 multiplicidad .
Como recuerda Luria (1984, [5] pág. 97), el descubrimiento de la reactivación de fagos irradiados (denominado " reactivación de multiplicidad ") inició inmediatamente una oleada de actividad en el estudio de la reparación de daños por radiación dentro del grupo de fagos primitivos (revisado por Bernstein [10] en 1981). Resultó más tarde que la reparación de fagos dañados mediante ayuda mutua que Luria había descubierto era sólo un caso especial de reparación de 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 daños en el ADN (véase 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. Aparentemente, según Watson "...muchos estudiantes le tenían miedo a Luria, que tenía reputación de ser arrogante con la gente que estaba equivocada". Sin embargo, a medida que avanzaba el semestre de otoño, Watson "no vio evidencia de la rumoreada falta de consideración hacia los tontos". Así, sin reservas reales (excepto por el temor ocasional de no ser lo suficientemente brillante como para moverse en su círculo), le preguntó a Luria si podía hacer una investigación bajo su dirección en el semestre de primavera. Luria dijo rápidamente que sí, y le dio a Watson la tarea de estudiar la reactivación de multiplicidad inducida por rayos X de los fagos como se describió anteriormente. El único otro científico en el laboratorio de Luria en ese momento, con quien Watson compartía un banco de laboratorio, era Renato Dulbecco (un futuro miembro del grupo de fagos), que había llegado recientemente de Italia para hacer experimentos sobre la reactivación de multiplicidad de fagos. Más tarde, ese mismo semestre (1948), Watson conoció por primera vez a Delbruck, que estaba de visita por un breve tiempo 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 era clara. Pero aún más importante para mí era su aspecto y espíritu juveniles". Watson señaló que en esta ocasión, como en muchas ocasiones posteriores, Delbruck habló de Bohr (el físico) y de su creencia en que un principio de complementariedad, tal vez como el necesario para comprender la mecánica cuántica, sería la clave para la verdadera comprensión de la biología.
En 1950, Renato Dulbecco, que trabajaba en Caltech con Delbrück, ideó un procedimiento para analizar partículas de virus animales mediante la formación de placas en una lámina de células cultivadas, de la misma manera que los fagos forman placas en un césped de células bacterianas. Este procedimiento preparó el terreno para que Dulbecco pusiera en marcha un programa de investigación exhaustivo para estudios cuantitativos sobre virus animales con el fin de comprender su ciclo reproductivo intracelular. Este trabajo fue reconocido con el Premio Nobel en 1975. [12]
Tras el 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 de Meselson-Stahl , [13] realizado por Matthew Meselson y Franklin Stahl en 1958, fue el experimento clave que proporcionó evidencia convincente de la 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 se lo ha descrito como el "Experimento más hermoso en biología". [15] Su belleza está ligada a la simplicidad del resultado, aunque la ruta que condujo al experimento estuvo lejos de ser simple.
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 habitación de laboratorio con Jean Weigle donde hicieron experimentos colaborativos sobre el fago T4. Al dejar Caltech, Benzer continuó los experimentos sobre el fago T4 en el Instituto Pasteur en París y luego en la Universidad de 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 evidencia sólida para 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 por restricción" (la modificación del crecimiento de un fago dentro de una bacteria infectada, de modo que al liberarse y reinfectar una bacteria relacionada, el crecimiento del fago se restringe) (descrito por Luria, [5] págs. 45 y 99). Weigle, trabajando 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 ahora conocidas como " enzimas de restricción ". Estas enzimas permitieron la manipulación controlada del ADN en el laboratorio, proporcionando así la base para el desarrollo de la ingeniería genética.
Weigle también demostró la naturaleza inducible de los genes de respuesta al daño del ADN en las bacterias, un fenómeno que se conoce como respuesta SOS . Esta respuesta incluye mutagénesis inducible por daño del ADN (denominada mutagénesis de Weigle en su honor) y reparación inducible después del daño del 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, llevados a cabo 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 lo tanto, el código genético es un código de tripletes, donde cada triplete (llamado codón) especifica un aminoácido particular. También obtuvieron evidencia 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 un curso sobre fagos en Cold Spring Harbor, Nueva York. Las discusiones informales que se desarrollaban entre estos trabajadores sobre el progreso de su investigación dieron lugar 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. Más tarde, en sus memorias, Stent (1998) describió algunas de las actividades e interacciones personales que ilustraron el espíritu intelectual único del grupo de fagos durante sus primeros años cruciales (1948-1950). [21]
Delbrück, con su encanto y entusiasmo, atrajo a muchos biólogos (y físicos) a la investigación de fagos a principios de la década de 1940 (véase: Charles Steinberg ). [22] En 1944, Delbrück promovió el "Tratado de fagos", un llamado a los investigadores de fagos para que se centraran en un número limitado de cepas de fagos y bacterias, con condiciones experimentales estandarizadas. Esto ayudó a que la investigación de diferentes laboratorios fuera más fácilmente comparable y replicable, lo que ayudó a unificar el campo de la genética bacteriana . [23]
Aparte de las colaboraciones directas, el principal legado del grupo de fagos fue el curso anual de verano sobre fagos que se impartía en el Laboratorio Cold Spring Harbor y que se impartía esporádicamente en Caltech. A partir de 1945, Delbrück y otros enseñaron a los jóvenes biólogos los fundamentos de la biología y la experimentación con fagos, inculcando el enfoque distintivo del grupo de fagos orientado a la biología, tanto a las matemáticas como a la física. Muchos de los líderes del campo emergente de la biología molecular eran ex alumnos del curso sobre fagos, que siguió impartiéndose durante los años 1950 y 1960. [24] [25]
En 1995, Millard Susman publicó un artículo retrospectivo sobre el curso de fagos tal como se impartió a lo largo de los años (1945-1970) tanto en Cold Spring Harbor (Nueva York) como en el Instituto Tecnológico 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 los miembros del grupo de fagos proporcionó una oportunidad para 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: véase Epstein et al., 2012. [32] ). Epstein et al. describieron una caracterización genética más completa de los mutantes ámbar en 1964. [33] Otra clase de mutantes letales condicionales, conocidos como mutantes sensibles a la temperatura, fue obtenida por Robert Edgar e Ilga Lielausis. [34] Los estudios de estas dos clases de mutantes permitieron comprender mejor numerosos problemas biológicos fundamentales. De este modo, 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 proteínicos y de ácidos nucleicos (morfogénesis molecular). Además, se dilucidó el papel de los codones de terminación de la cadena. Sydney Brenner y sus colaboradores realizaron un estudio notable utilizando mutantes ámbar defectuosos en el gen que codifica la proteína principal de la cabeza del fago T4. [35] Este experimento proporcionó pruebas sólidas de la "hipótesis de la secuencia", ampliamente aceptada pero aún no demostrada antes de 1964, de que la secuencia de aminoácidos de una proteína está especificada por la secuencia de nucleótidos del gen que determina la proteína. Por lo tanto, este estudio demostró la colinealidad del gen con su polipéptido codificado.
