Arxiu d'etiquetes: aminoàcid

Desxifrant el codi genètic

De la mateixa manera que Alan Turing va descodificar Enigma, la màquina de xifrat que utilitzava l’exèrcit alemany en la Segona Guerra Mundial, varis científics van aconseguir desxifrar el codi genètic. La solució a aquest entramat ha permès entendre com funcionen les cèl·lules i fer possible la manipulació genètica.

INTRODUCCIÓ

Un codi és una sèrie de símbols que per separat no representen res, però al combinar-los poden generar un llenguatge comprensible només per aquells qui l’entenen. Això és el que passa amb el codi genètic.

Tot i que ens pugui semblar mentida, tots els éssers vius (a excepció d’alguns bacteris) biològicament funcionem de la mateixa manera. I és que ja ho deia Jacques Monod, tot el que es constata com a veraç per E. coli també ha de ser cert pels elefants.

Des de les cèl·lules de la balena blava, l’animal més gran del planeta, fins a les cèl·lules d’un colibrí, passant pels éssers humans, són iguals. Això és gràcies al codi genètic, que permet que la informació de cada gen sigui transmesa a les proteïnes, les executores d’aquesta informació.

Aquest flux d’informació va ser anomenat per Francis Crick, el 1958, com el dogma central de la biologia (Figura 1). En ell afirmava que la informació flueix de l’ADN al ARN, i després de l’ARN a les proteïnes. És així com es transmet i s’expressa la informació genètica unidireccionalment. No obstant, posteriorment es van afegir modificacions. Cric afirmava que només l’ADN pot duplicar-se i transcriure’s a ARN. Però s’ha vist que en virus també es produeix la replicació del seu ARN i que aquest pot realitzar una transcripció inversa per generar ADN de nou.

main-qimg-eee77f2b58be05c964ce0c04756f2cfb
Figura 1. Dogma central de la biologia. En vermell es mostra el cami que va senyalar Francis Crick (replicació de l’ADN, transcripció a ARN i traducció a proteïnes); i en gris les posteriors modificacions (Font: Quora)

ELS 3 LLENGUATGES DE LES CÈL·LULES

A l’interior de les cèl·lules es parlen tres idiomes diferents, però que es poden arribar a relacionar a través del codi genètic.

El que ja coneixem és el llenguatge de l’àcid desoxiribonucleic (ADN), enrotllat en una doble cadena i format per 4 lletres que corresponen a les bases nitrogenades: adenina (A), timina (T), citosina (C) i guanina (G).

Un altre llenguatge molt semblant a aquest últim és el de l’ARN. Difereix de l’ADN principalment en tres aspectes: (i) es compon d’una cadena única en comptes de ser de doble cadena, (ii) els seus sucres són riboses en comptes de desoxiriboses (d’aquí el nom d’àcid ribonucleic) i (iii) conté la base uracil (U) en comptes de T. Ni el canvi de sucre ni la substitució de U per T altera l’aparellament amb la base A, pel que la síntesi d’ARN pot ser realitzada de manera directa sobre un motlle d’ADN.

L’últim llenguatge que ens resta per conèixer és el de les proteïnes, format per 20 aminoàcids. Els aminoàcids constitueixen totes i cada una de les proteïnes de qualsevol organisme viu. L’ordre dels aminoàcids que formen la cadena de la proteïna determina la seva funció (Figura 2).

aminoacids
Figura 2. Taula dels 20 aminoàcids (Font: Compound Interest)

EL CODI GENÈTIC

Com venim dient, el codi genètic són les regles que segueix la seqüència de nucleòtids d’un gen, a través de l’intermediari ARN, per ser traduïda a una seqüència d’aminoàcids d’una proteïna. Existeixen varis tipus d’ARN, però el que ens interessa és el ARN missatger (ARNm), imprescindible en el procés de transcripció.

Les cèl·lules descodifiquen l’ARN llegint els seus nucleòtids en grups de tres (Figura 3). Com que l’ARNm és un polímer de quatre nucleòtids diferents hi ha 64 combinacions possibles de tres nucleòtids (43). Això ens porta a una de les característiques del codi genètic: està degenerat. Això significa que hi ha varis triplet per un mateix aminoàcid (codons sinònims). Per exemple, la prolina és codificada pels triplets CCU, CCC, CCA i CCG.

genetic_code_med
Figura 3. El codi genètic amb els 20 aminoàcids (Font: BioNinja)

El codi genètic no és ambigu ja que cada triplet té el seu propi significat. Tots els triplets tenen sentit, o bé codifiquen un aminoàcid en particular o bé indiquen final de lectura. La majoria dels aminoàcids es codifiquen almenys per dos codons. La metionina i el triptòfan són els únics aminoàcids que es codifiquen només per un codó. Però cada codó codifica només per un aminoàcid o senyal d’stop. A més, és unidireccional, tots els triplets es llegeixen en sentit 5’-3’.

El codó AUG serveix com a codó d’inici per començar la traducció. Només hi ha un codó d’inici que codifica per l’aminoàcid metionina, mentre que existeixen tres codons stop (UAA, UAG i UGA). Aquests codons fan que el polipèptid (polímer format per cadenes llargues d’aminoàcids) s’alliberi del ribosoma, lloc on ocorre la traducció.

La posició del codó d’inici determina el punt on comença la traducció de l’ARNm i el seu marc de lectura. Aquest últim punt és important perquè la mateixa seqüència de nucleòtids pot codificar polipèptids completament diferents depenent del marc en el que es llegeix (Figura 4). No obstant, només una de les tres pautes de lectures d’un ARNm codifica la proteïna correcta. El desplaçament en el marc de lectura provoca que el missatge ja no tingui sentit.

Marco de Lectura
Figura 4. Possibles marcs de lectura (Font: marcoregalia.com)

Com dèiem al principi, una de les principals característiques del codi genètic és que és universal, ja que gairebé tots els éssers vius l’utilitzen (a excepció d’alguns bacteris). Això és important perquè un codi genètic compartit per tan diversos organismes proporciona una important evidència d’un origen comú de la vida a la Terra. Les espècies de la Terra d’avui en dia probablement van evolucionar d’un organisme ancestral en el qual ja es trobava present el codi genètic. Degut a que és essencial per la funció cel·lular, hauria de tenir a romandre sense canvis en les espècies a través de les generacions. Aquest tipus de procés evolutiu pot explicar la notable similitud del codi genètic en els organismes presents en l’actualitat.

Tot i que l’ésser humà en sí continua sent un enigma per la ciència, la revolució del desxiframent del codi genètic ha permès endinsar-nos en el funcionament del nostre cos, en concret el de les nostres cèl·lules, i traspassar les fronteres cap a la manipulació genètica.

REFERÈNCIES

  • Alberts, B. et al. Biología molecular de la célula (2010). Editorial Omega, 5a edición
  • Cooper, G.M., Hausman R.E. La Célula (2009). Editorial Marbán, 5a edición
  • Gotta Love Cells
  • BioNinja
  • Foto portada: eldiario.es

MireiaRamos-catala

Tardígrads: Animals amb superpoders

Els óssos més petits del món tenen capacitats dignes de superherois. En realitat, no són óssos pròpiament dits: els óssos d’aigua en realitat són els tardígrads. Són animals invertebrats pràcticament indestructibles: sobreviuen dècades sense aigua ni aliment, a temperatures extremes i fins i tot han sobreviscut a l’espai exterior. Coneix l’animal que sembla arribat d’un altre planeta i aprèn a observar-lo a casa teva si disposes d’un microscopi.

QUÈ ES UN TARDÍGRAD?

Oso de agua (Macrobiotus sapiens) en musgo. Foto coloreada tomada con microscopio electrónico de barrido (SEM): Foto de Nicole Ottawa & Oliver Meckes
Ós d’aigua (Macrobiotus sapiens) a sobre de molsa. Foto acolorida presa amb microscopi electrònic d’escombratge (SEM): Foto de Nicole Ottawa & Oliver Meckes

Els tardígrads o óssos d’aigua, són un grup d’invertebrats de 0,05-1,5 mm que viuen preferiblement en llocs humits. Són especialment abundants en la pel·lícula d’humitat que recobreix molses i falgueres, encara que no falten espècies oceàniques i d’aigua dolça, per la qual cosa podem considerar que viuen arreu del món. Fins i tot a escassos metres de tu, entre rajola i rajola. En un gram de molsa s’han arribat a trobar fins a 22.000 exemplars. S’han trobat a l’Antàrtida a sota de capes de 5 metres de gel, en deserts càlids, en fonts termals, en muntanyes de 6.000 metres d’altura i a profunditats oceàniques abissals. Es tracta doncs d’animals extremòfils. Es calcula que existeixen més de 1.000 espècies.

MORFOLOGIA

El seu nom popular fa referència al seu aspecte i el científic a la lentitud dels seus moviments. Tenen el cos dividit en 5 segments: el cefàlic, on tenen la boca en forma de trompa (probòscide) amb dos estilets interns i en ocasions ulls simples (ommatidis) i pèls sensorials, i els 4 restants amb un parell de potes per segment. Cada pota té urpes per ancorar-se al terreny.

Vista ventral de un tardígrado donde seobservan los cinco segmentos del cuerpo. Foto de Eye Of Science/Photo LIbrary
Vista ventral d’un tardígrad on s’observen els cinc segments del cos. Foto acolorida presa amb microscopi electrònic d’escombratge (SEM). Foto de Eye Of Science/Science Photo Library

Tardigrade. Coloured scanning electron micrograph (SEM) of a freshwater tardigrade or water bear (Echiniscus sp.). Tardigrades, are tiny invertebrates that live in coastal waters and freshwater habitats, as well as semi-aquatic terrestrial habitats like damp moss. They require water to obtain oxygen by gas exchange. In dry conditions, they can enter a cryptobiotic tun (or barrel) state of dessication to survive. Tardigrades feed on plant and animal cells and are found throughout the world, from the tropics to the cold polar waters.
Tardígrad (Echiniscus sp.) en el que es poden observar les urpes. Foto acolorida presa amb microscopi electrònic d’escombratge (SEM). Foto de Eye Of Science/Science Photo Library

Observa en aquest vídeo de Craig Smith els moviments dels tardígrads amb més detall:

ALIMENTACIÓ

Gràcies als estilets de la seva boca, perforen els vegetals dels quals s’alimenten i succionen els productes de la fotosíntesi, però també es poden alimentar absorbint el contingut cel·lular d’altres organismes microscòpics com bacteris, algues, rotífers, nematodes… Alguns són depredadors i poden ingerir microorganismes sencers.

El seu aparell digestiu és bàsicament la boca i una faringe amb potents músculs per fer els moviments de succió que s’obre directament a l’intestí i l’anus. Algunes espècies només defequen quan muden.

Detalle de la boca de un tardígrado. Foto de
Detall de la boca d’un tardígrao. Foto acolorida presa amb microscopi electrònic d’escombratge (SEM). Foto de Eye Of Science/Science Photo Library

ANATOMIA INTERNA

No posseeixen aparell circulatori ni respiratori: l’intercanvi de gasos es fa directament per la superfície del cos. Estan coberts per una cutícula rígida que pot ser de diferents colors i que van mudant a mesura que creixen. Amb cada muda, perden els estilets bucals, que seran segregats de nou. Són organismes eutèlics: per créixer només augmenten la mida de les seves cèl·lules, no el seu número, que roman constant al llarg de la seva vida

REPRODUCCIÓ

Els tardígrads en general tenen sexes separats (són dioics) i es reprodueixen per ous (són ovípars), però també hi ha espècies hermafrodites i partenogénenètiques (les femelles es reprodueixen sense ser fecundades per cap mascle). La fecundació és externa i el seu desenvolupament és directe, és a dir, no presenten fases larvàries.

tardigrade egg, ou tardigrad
Ou de tardígrad. Foto acolorida presa amb microscopi electrònic d’escombratge (SEM). Foto de Eye Of Science/Science Photo Library

ELS RÈCORDS DELS TARDÍGRADS

Els tardígrads són animals increïblement resistents que han superat les següents condicions:

  • Deshidratació: poden sobreviure durant 30 anys en condicions de laboratori sense una sola gota d’aigua. Hi ha fonts que asseguren que resisteixen fins a 120 anys o que s’han trobat en gels de 2000 anys d’antiguitat i han pogut reviure, tot i que probablement siguin exageracions.
  • Temperatures extremes: si bulls 1 tardígrad, sobreviu. Si el sotmets a temperatures de gairebé el zero absolut (-273ºC), sobreviu. El seu rang de supervivència va de -270ºC a 150ºC.
  • Pressió extrema: són capaços de suportar des del buit fins a 6.000 atmosferes, és a dir, 6 vegades la pressió que hi ha al punt més profund de la Terra, la Fossa de les Marianes (11.000 metres de profunditat).
  • Radiació extrema: els tardígrads poden suportar bombardejos de radiació en una dosi 1000 vegades superior a la letal per un humà.
  • Substàncies tòxiques: si se’ls submergeix en èter o alcohol pur, sobreviuen.
  • Espai exterior: els tardígrads són els únics animals que han sobreviscut a l’espai exterior sense cap protecció. El 2007 l’ESA (Agència Espacial Europea), dins del projecte TARDIS (Tardigrades In Space) va exposar tardígrads (Richtersius coronifer i Milnesium tardigradum) durant 12 dies a la superfície de la nau Foton-M3 i van sobreviure al viatge espacial. El 2011 la NASA va fer el mateix col·locant-los a l’exterior del transbordador espacial Endeavour i es van corroborar els resultats. Van sobreviure al buit, als rajos còsmics i a una radiació ultraviolada 1000 vegades superior a la de la superfície terrestre. El projecte Biokis (2011) de l’Agència Espacial Italiana (ASI) va estudiar l’impacte d’aquests viatges a nivell molecular.

COM HO FAN?

Els tardígrads són capaços de resistir aquestes condicions tan extremes perquè entren en estat de criptobiosi quan les condicions són desfavorables. És un estat extrem d’anabiosi (disminució del metabolisme). Segons les condicions que han de suportar, la criptobiosi es classifica en:

  • Anhidrobiosi: en cas de deshidratació del medi, entren en “estat de barril” ja que adopten aquesta forma per reduir la seva superfície i s’emboliquen en una capa de cera per evitar la pèrdua de l’aigua per transpiració. Per evitar la mort de les cèl·lules, sintetitzen trehalosa, un sucre que substitueix a l’aigua del seu cos i manté intacta l’estructura de les membranes cel·lulars. Redueixen el contingut d’aigua del seu cos fins a només un 1% i seguidament detenen el seu metabolisme gairebé per complet (0,01% per sota del normal).

    Tardígrado deshidratado. Foto de Photo Science Library
    Tardígrad deshidratat. Foto acolorida presa amb microscopi electrònic d’escombratge (SEM). Foto de Eye Of Science/Science Photo Library
  • Criobiosi: en cas de sotmetre’s a baixes temperatures, l’aigua de gairebé qualsevol ésser viu cristal·litza, trenca l’estructura de les cèl·lules i l’ésser viu mor. Però els tardígrads utilitzen proteïnes que congelen bruscament l’aigua de les cèl·lules en forma de petits cristalls, de manera que aconsegueixen evitar el seu trencament.
  • Osmobiosi: es dóna en cas d’augment de la concentració salina del medi.
  • Anoxibiosi: en cas de manca d’oxigen, entren en un estat d’inactivitat en el que deixen el seu cos totalment estirat, de manera que necessiten aigua per mantenir-se turgents.

En el cas de les exposicions a les radiacions, que destruirien l’ADN, s’ha observat que els tardígrads són capaços de reparar el material genètic malmès.

Aquestes tècniques ja han estat imitades en camps com la medicina, conservant òrgans de rates per posteriorment “reviure’ls” i poden obrir altres vies de conservació de teixits vius i trasplantaments. També obren nous camps en l’exploració espacial de vida extraterrestre (astrobiologia) i fins i tot en l’exploració humana de l’espai per resistir llargs viatges interplanetaris, en idees de moment, més properes a la ciència ficció que a la realitat.

SÓN EXTRATERRESTRES?

L’escàs registre fòssil, el seu parentiu evolutiu poc clar i la seva gran resistència, van provocar hipòtesis que especulaven amb la possibilitat que els tardígrads hagin vingut de l’espai exterior. No es tracta d’una idea sense cap ni peus, encara que altament improbable. La panspèrmia és la hipòtesi per la qual la vida, o millor dit, les molècules orgàniques complexes, no es van originar a la Terra, sinó que van arribar gràcies a meteorits durant els inicis del Sistema Solar. De fet, s’han trobat meteorits amb aminoàcids (molècules indispensables per a la vida) en la seva composició, de manera que la panspèrmia és una hipòtesi que no es pot descartar encara.

Foto de Eye Of Science/Photolife Library
Foto acolorida presa amb microscopi electrònic d’escombratge (SEM). Foto de Eye Of Science/Science Photo Library

Però no és el cas dels tardígrads: el seu ADN és igual al de la resta d’éssers vius terrestres i els últims estudis filogenètics els emparenten amb els onicòfors (animals semblants a cucs), asquelmints i artròpodes. El que és fascinant és que és l’animal amb més ADN aliè: fins al 16% del seu genoma pertany a fongs, bacteris o arquees, obtinguts per un procés anomenat transferència genètica horitzontal. La presència de gens aliens a altres espècies animals no sol ser més de l’1%. Serà això el que li ha permès desenvolupar aquesta gran resistència?

VOLS BUSCAR TARDÍGRADS TU MATEIX I OBSERVAR-LOS EN ACCIÓ?

En ser tan comuns i habitar potencialment gairebé qualsevol lloc, si disposes d’un microscopi, per senzill que sigui, pots buscar i veure tardígrads vius amb els teus propis ulls:

    • Agafa un tros de molsa d’una roca o mur, millor si està una mica sec.
    • Deixa’l assecar al sol i neteja’l de terra i altres restes grans.
    • Posa’l a l’inrevés en un recipient transparent (com una placa de Petri), mulla’l amb aigua i deixa-ho reposar unes hores.
    • Retira la molsa i busca els tardígrads a l’aigua del recipient (posa-ho en un fons negre per veure més fàcilment). Si hi ha sort, amb una lupa els podràs veure movent-se
    • Agafa’ls amb una pipeta o comptagotes, col·loca’ls en el portaobjectes i a gaudir! Podries veure coses semblants a aquesta:

Mireia Querol Rovira

REFERENCIAS