Estudiar un bacteri infecciós
L'abundància d'espècies bacterianes que s'estudien actualment al laboratori es deu a la llarga tradició bacteriològica de finals de segle XIX. E. coli, inicialment, es va denominar Bacterium coli i se’l va descriure com el bacteri comú del còlon. El seu nom actual fa memòria al seu descobridor, Theodor Escherich (1857-1911), un reconegut pediatre alemany que, com altres membres de la seva disciplina, es va interessar pels bacteris perquè estaven estretament relacionats amb les infeccions infantils.
Bacteris i tubs d'assaig
A mitjan segle XX, alguns investigadors van començar a veure que els bacteris tenien la senzillesa necessària que permetria trobar els principis fonamentals de la vida. La seva estructura és més senzilla que les nostres cèl·lules, el seu creixement, ràpid, i es podia emprar diferents mitjans per al seu cultiu en el laboratori, la qual cosa afavoria les possibilitats experimentals. En aquest context, investigacions amb nombrosos bacteris van permetre trobar resultats que es mantenen vigents en l'actualitat.
Mecanismes bàsics de la vida
Avui se sap que el material genètic és l'ADN (àcid desoxiribonucleic), que es replica i passa com a herència a les cèl·lules filles; també es transcriu i es tradueix per produir totes les proteïnes que la cèl·lula necessita per funcionar. Aquests són alguns dels principis fonamentals de la vida que avui apareixen en tots els llibres de text i poden semblar gairebé obvis. Però, lluny de ser evidents, es van obtenir a les palpentes, utilitzant bacteris, tubs d'assaig i enginyoses, i de vegades desgavellades, hipòtesi d'alguns investigadors brillants.
L'ADN és el material genètic
Alguns bacteris han permès realitzar troballes de major transcendència, potser, que l'E. coli. A la dècada de 1940, el bacteri Streptococcus pneumoniae va permetre deduir que el material genètic era l'ADN i no les proteïnes.Oswald Avery, Colin MacLeod i Maclyn MacCarty va comprovar experimentalment, l’any 1944, una observació de Frederick Griffith feta el 1928. Infectaren ratolins amb una soca patògena del bacteri, que produïa pneumònia, i una altra que no emmalaltia. Van descobrir que podien convertir els bacteris inofensius en patògens i aquesta propietat es transmetia als descendents. En analitzar les possibles molècules responsables, l'agent infecciós resultà ser l'ADN i es va posar fi a una controvèrsia de principis de segle XX.
Sexe entre bacteris
Pels voltants de 1950, Edward Lawrie Tatum i Joshua Lederberg van dur a terme uns experiments per veure si els bacteris intercanviaven informació genètica i si existia reproducció sexual. Van utilitzar mutants de la soca K12 d'E coli que no eren capaços de sintetitzar un aminoàcid (triptòfan) i que per a sobreviure necessitaven obtenir-lo del medi de cultiu. Els van posar en contacte amb bacteris no mutants de la mateixa soca que sí que sintetitzaven aquest aminoàcid i, al cap d'un temps, algunes de les primeres podien sintetitzar el triptòfan. Això va demostrar que s'havia produït una transferència d'informació d'uns bacteris a altres, en un fenomen que ara es coneix com conjugació.
Copiar l'ADN
L’any 1957, Matthew Messelson i Franklin Stahl van fer un experiment que va confirmar que la replicació de les cadenes d'ADN tenia lloc segons el model semiconservador proposat per James Watson i Francis Crick. Per a això, van cultivar durant diverses generacions bacteris d'E. coli en un mitjà que com a única font de nitrogen tenia l'isòtop 15. L'ADN sintetitzat en presència d'aquest isòtop pesat és de major densitat que el que es produeix quan es sintetitza a partir de l'isòtop normal, el nitrogen 14. Després es va passar a cultius en què el nitrogen era normal (isòtop 14) i es van prendre mostres després de diversos temps en que les cèl·lules havien crescut i el seu ADN, que contenia l'isòtop pesat, s'havia replicat amb isòtop normal. Observaren que després d'una replicació l'ADN resultant tenia una densitat intermèdia i que quan havien passat dues replicacions apareixia ADN de densitat lleugera juntament amb el de densitat intermèdia. Així van deduir que la replicació és semiconservativa: cadascun dels brins de la doble hèlix s'utilitza de motlle per a ser copiada però es manté íntegra. És a dir, que per obtenir dues cadenes dobles cada cadena de l'ADN es copia però no s'allarga ni se li s'intercalen elements.
Dissecció d'un bacteri
A mitjan segle XX, es van realitzar alguns dels experiments més rellevants amb E. coli; els quals han permès saber que els bacteris són capaços d'intercanviar la informació genètica, que la informació de l'ADN es transcriu produint un ARN (àcid ribonucleic) missatger, a partir del qual els ribosomes poden interpretar el codi genètic i sintetitzar proteïnes i també descriure un mecanisme de regulació de l'activitat dels gens en els bacteris. Però el descobriment que va catapultar a E. coli al cim dels organismes de laboratori va ser el descobriment dels enzims de restricció cap a la dècada de 1970, que va obrir les portes a l'enginyeria genètica.
Missatgers Moleculars
E. coli va estar involucrat, a principis de la dècada de 1960, i de la mà de Sydney Brenner, François Jacob i Jacques Monod en el descobriment de l'existència de l'ARN missatger que era l'encarregat que la informació genètica del nucli arribés als ribosomes del citoplasma per ser traduïda a proteïnes. Cada gen o conjunt de gens es transcriu a ARN, el qual conté la mateixa informació que una de les cadenes de l'ADN. Aquesta informació està en el llenguatge dels àcids nucleics, que consta de 64 paraules en forma de triplets de bases nucleiques. Ha de ser interpretada en els ribosomes i s’ha de traduir al llenguatge de les proteïnes, en què les paraules són 20 aminoàcids diferents. L'equivalència entre els 64 triplets de bases i els 20 aminoàcids és el "codi genètic".
Model operó: regulació dels gens
François Jacob i Jacques Monod descrigueren un model que regula l'activitat dels gens en els bacteris, al que van denominar model operó. Es tracta d’una unitat genètica funcional formada per un grup o complexe de gens que regulen una via metabòlica o una determinada funció cel·lular. El complexe és capaç de regular la pròpia expressió de gens en funció de la interacció amb els substrats del medi cel·lular. Generalment, aquests gens estan regulats per una seqüència anomenada promotor, que és on s'inicia la transcripció per sintetitzar un ARN missatger. A continuació del promotor pot existir una regió de control, anomenada operador, a la qual s'uneixen proteïnes que impedeixen (repressor) o activen (activador) la transcripció i que es modulen en funció de les condicions que hi ha en un deteminat moment al bacteri. L'operó lac (lactosa), que regula el metabolisme de la lactosa, fou el primer mecanisme regulatori de l’expressió gènica a ser elucidat i és un exemple clàssic de regulació gènica en procariotes. Quan no hi ha lactosa en el medi de cultiu l'operó està reprimit perquè una proteïna repressora, el repressor Lac, s'uneix a la regió operadora i impedeix que progressi la transcripció. En presència de lactosa, un derivat d'ella s'acobla al repressor i allibera l'operador. Això permet la transcripció dels gens LacZ, LacY i LacA, i les tres proteïnes que es sintetitzen fan que la lactosa pugui ser introduïda en la cèl·lula i metabolitzada. Quan ja no existeix més lactosa el repressor torna a ser actiu i s'uneix a l'operador, tornant així a l'estat inicial.
L'enzim que fa créixer el ADN
A mitjans de la dècada de 1950, Arthur Kornberg va realitzar experiments amb E. coli per estudiar com es copiaven els brins d'ADN. Va observar que hi havia d'haver un segment d'ADN que actués com a motlle i un extracte on devia trobar-se l'enzim responsable: DNA polimerasa. També va poder verificar que els dos brins són antiparal·lels i que l'ADN sempre és polimeritzat des de l'extrem 5' a 3' (com es proposava en el model de Watson i Crick). Més tard es va veure que aquesta enzim no és la que realitza la replicació de l'ADN en la cèl·lula sinó que en aquestes condicions té activitat 3' a 5' (exonucleasa) i serveix per corregir errors de l'ADN ja replicat.
Tallar l'ADN com a protecció
A la dècada de 1960, Werner Arber analitzà detalladament el fenomen de la restricció en E. coli, amb el qual els bacteris, per protegir-se dels virus que els infecten, tallen l'ADN d'aquests virus. Va postular que els bacteris utilitzen enzims propis que tallen per llocs específics dins de la seqüència d'ADN per intentar eliminar l'ADN víric que ha penetrat en la cèl·lula. Els va anomenar enzims de restricció. El 1970, Hamilton Smith va aïllar el primer enzim d'aquest tipus en el bacteri Haemophilus influenzae, HindIII. La capacitat de tallar la seqüència d'ADN de manera específica ha permès fer mapes genètics de molts organismes i establir les bases de la manipulació genètica.
Tallar l'ADN amb un propòsit
A principis de la dècada de 1970, el grups de Peter Lobban i Dale Kaiser i el de Paul Berg van realitzar dos experiments pioners en la recombinació genètica utilitzant enzims de restricció. La idea d'ambdós grups era crear un plasmidi (fragment d'ADN circular més petit que el cromosoma bacterià que es replica independentment) i inserir-lo en el bacteri E. coli. En el primer cas, el plasmidi es va construir amb el gen de la insulina mentre que, en el segon, va ser amb lacZ, un gen de l'operó lactosa. Per introduir el plasmidi artificial en el bacteri van utilitzar una alta concentració de clorur de calci que permeabilitza les membranes del bacteri, un procediment que havia desenvolupat Morton Mandel. L'enzim EcoRI, una de les primeres que es van descobrir i purificar és una de les més utilitzades, però en l'actualitat hi ha una gran diversitat d'enzims de restricció que faciliten als investigadors la manipulació de l'ADN en el tub d'assaig. D'altra banda, el 1973 Herbert Boyer, Stanley Cohen i col·laboradors van desenvolupar tècniques per a usar plasmidis com a vectors per a clonar gens forans. Pocs anys després es creà la primera empresa de biotecnologia, Genentech.
