Linus Pauling[1] ja havia guanyat el premi Nobel de Química quan Émile Zuckerkandl se li va acostar, en actitud reverent però decidida, a proposar-li un projecte d’investigació sobre la hemocianina i altres enzims caracteritzats per la presència de cations metàl·lics. Corria l’any 1958, Pauling havia acudit a una reunió a París i Zuckerkandl va utilitzar a consciència les seues habilitats de persuasió en aquella trobada amb el gran home.
Viatge a Califòrnia
Un any més tard Zuckerkandl s’instal·lava a Califòrnia amb tota la il·lusió, disposat a treballar en el seu projecte, però les coses es van tòrcer molt prompte. Pocs dies més tard anava rumiant la seua decepció. Inesperadament, Pauling havia decidit un canvi de rumb radical. Anaven a investigar sobre seqüenciació de proteïnes.
Per a Zuckerkandl, el canvi suposava l’abandó de les seues expectatives. Per a Pauling tenia molt més sentit. Havia rebut el premi Nobel de Química en 1954
“per la seua investigació sobre la naturalesa de l’enllaç químic i la seua aplicació a l’elucidació de l’estructura de substàncies complexes”[2]
i havia sigut pioner a extraure conseqüències de la revolució de la Física de principis del segle XX en relació amb l’enllaç químic[3], com testificava el seu descobriment de la disposició en alfa-hèlix d’algunes parts de les proteïnes. Segurament ningú sabia més que ell sobre l’estructura de les proteïnes.
De l’anàlisi de proteïnes a l’Evolució Molecular
Zuckerkandl, contrariat, va haver de confiar que isquera alguna cosa bona del nou projecte, al qual es va incorporar Richard Jones, un doctorand de Pauling. La seua tasca era obtindre la seqüència d’aminoàcids de les cadenes polipeptídiques d’hemoglobina[4] de diferents organismes. Bàsicament, havien de fer la digestió enzimàtica de les proteïnes i analitzar els productes resultants mitjançant tècniques d’electroforesis i cromatografia.
No van tardar a descobrir una cosa molt interessant. Les seqüències de les cadenes peptídiques de l’hemoglobina de diferents organismes mostraven variacions. Es semblaven molt, però no eren idèntiques. Cada espècie tenia la seua pròpia versió de la proteïna. En la mateixa proteïna, les cadenes peptídiques d’animals pròxims en la classificació mostraven una seqüència d’aminoàcids quasi idèntica, mentres que en comparar seqüències peptídiques d’organismes distants les diferències augmentaven.
“Per exemple, comparant una de les cadenes proteiques de les molècules d’hemoglobina, Pauling i Zuckerkandl van constatar que, del total dels seus cent quaranta-un aminoàcids, entre la versió humana i la del ximpanzé només hi havia un aminoàcid de diferència, però que entre la dels humans i la dels cavalls la diferència era de 18 aminoàcids”[5] .
En 1960, Pauling, Jones i Zuckerkandl van publicar que les variacions en la seqüència d’aminoàcids de les mateixes proteïnes en diferents organismes permetien determinar el seu grau de parentiu i construir arbres filogenètics.[6]
D’acord amb els resultats, la decisió de Pauling va ser un encert sense cap dubte. Van publicar els primers arbres filogenètics de la Biologia Molecular i van fundar la branca de la Biologia que ara anomenem Evolució Molecular.
Mutacions
En aquells dies ja era ben coneguda l’existència de mutacions. Les mutacions són alteracions del material genètic, (ADN o àcid desoxiribonucleic) o del seu procés de duplicació i repartiment en la formació dels gàmetes.
Hi ha mutacions cariotípiques, en què les cèl·lules germinals acaben amb una o més dotacions cariotípicas extraordinàries. Les cèl·lules resultants tenen, (en comptes de dos jocs complets de cromosomes, un procedent de la mare i un altre del pare en el cas humà), tres o més jocs complets de cromosomes. Este tipus de mutacions fa inviable el procés reproductiu en animals, però en vegetals pot dur ocasionalment a l’aparició d’organismes funcionals.[7]
Les mutacions cromosòmiques es deuen a errors en els processos associats a la formació dels gàmetes, quan hi ha un repartiment incorrecte de fragments cromosòmics o, a voltes, de cromosomes sencers. Afecten a centenars de gens, que acaben situats incorrectament. Segons la importància de les alteracions els zigots alterats produïxen embrions viables o inviables.
Les mutacions puntuals són xicotets canvis en la molècula d’ADN. Són, amb molta diferència, les més abundants. Són les principals responsables de la diversitat genètica.
Una pluja fina
Les mutacions cariotípiques i cromosòmiques ocorren durant el procés de formació de gàmetes i es relacionen amb el cicle cel·lular.
Però les mutacions puntuals són efecte de l’impacte de les radiacions, com els rajos ultraviolats i els rajos X, o degudes a l’acció d’algunes substàncies químiques. Les causes són ambientals. Es produïxen mutacions puntuals constantment.
No obstant això, és difícil conéixer la seua freqüència, ja que la majoria no produïxen efectes fàcils de percebre en els organismes. Com afecten a un o pocs nucleòtids[8], fins i tot quan tenen conseqüències directes són difícils de detectar. Es calcula que, a causa de noves mutacions puntuals, per cada milió de gàmetes hi ha 28 casos d’albinisme; 30, d’hemofília; i 60, de nanisme acondroplàsic.
És interessant recordar que Zuckerkandl i Pauling analitzaven variacions en la seqüència d’aminoàcids de les cadenes peptídiques de l’hemoglobina d’animals, no de l’ADN.
Watson i Crick havien descobert l’estructura de l’ADN en 1953. Encara no hi havia tècniques de seqüenciació d’ADN disponibles. Se sabia, això sí, que les mutacions en l’ADN causaven alteracions en la seqüència peptídica. Els canvis en les proteïnes es relacionaven amb les mutacions però en aquella època ningú sabia com era de complicada eixa relació.
El cas més senzill
Suposem que una xicoteta població es troba constituïda per individus genèticament idèntics. I que a continuació una catàstrofe geològica dividix de sobte la població en dues, que queden separades i incomunicades en dos illots.
Resulta que un minut més tard tots els individus ja no són genèticament iguals. Alguns individus d’una i una altra població han patit mutacions en el seu genoma. Mutacions distintes en cada cas; la coincidència seria increïble. En la seua gran majoria, mutacions puntuals. Això ocorre en els dos illots. En poc de temps, quasi tots els individus continuaran sent molt semblants, però ja no idèntics. Ara podem suposar que ambdues poblacions continuen vivint i reproduint-se independentment, cada una al seu illot.
Les mutacions puntuals són alteracions del material genètic i la causa principal de la varietat genètica. Atés que es produïxen a l’atzar i que el nombre de mutacions distintes és a efectes pràctics quasi infinit, els organismes de cada illot van acumulant mutacions en el seu material genètic segons va passant el temps. La pluja de mutacions va fent efecte. A més temps transcorregut, major nombre de mutacions acumulades i, per tant, major distància genètica entre les dos poblacions.
En animals de reproducció sexual, podem resumir la seqüència d’esdeveniments:
- 1. Una població està formada per individus. Cada un d’ells patix mutacions a l’atzar.
- 2. Les mutacions en l’ADN de les cèl·lules somàtiques es perden quan mor l’individu.
- 3. Algunes mutacions es produïxen en l’ADN de les cèl·lules germinals i tenen possibilitats de passar a la descendència[9].
- 4. Les poblacions queden sotmeses a la selecció natural.
- 5. Amb el pas del temps, mutacions de les cèl·lules germinals s’estenen en la població descendent.
- 6. Els conjunts de mutacions d’ambdues poblacions divergixen al llarg del temps. Quan més temps passe, major serà la diferència genètica.[10]
- 7. Al cap de molt de temps, les dos poblacions poden arribar a ser genèticament molt diferents, fins i tot a constituir espècies distintes.[11]
- 8. Les mutacions en el material genètic que codifica proteïnes donen lloc a canvis en la seua seqüència peptídica. En conseqüència, les proteïnes de les dues poblacions van sent progressivament més i més diferents.
- 9. La comparació de les seqüències peptídiques de les mateixes proteïnes[12] en espècies distintes resulta ser un bon indicador de la seua distància filogenètica.
El rellotge evolutiu molecular
La idea estava en l’aire. A principis de 1961, Pauling i Zuckerkandl van anticipar la possibilitat d’emprar les proteïnes com a rellotges moleculars de l’evolució. Segons Lewin:
“… . Per tant, la noció de rellotge evolutiu molecular es va formular a principis de 1961, encara que no es va explicar formalment fins a 1965, en un article de Zuckerkandl i Pauling.”[13]
Si les proteïnes incrementen les seues diferències constantment al llarg del temps, podria calcular-se la relació entre els canvis en les proteïnes i el temps transcorregut? I com?
La primera pregunta ha de rebre una resposta afirmativa. La resposta a la segona pregunta ha sigut tota la sèrie de millores que han facilitat la seua incorporació en moltes investigacions. Perquè el rellotge evolutiu molecular va ser des del principi una bona idea necessitada de concreció i sorprenentment rica en matisos i sorpreses.
En la seua formulació més simple, la hipòtesi del rellotge evolutiu molecular afirma que la substitució d’aminoàcids en les molècules de proteïna ocorre aproximadament amb regularitat en relació amb el temps.
En conseqüència, la mesura de la quantitat de pèptids distints en cadenes peptídiques equivalents de diversos organismes és proporcional al temps transcorregut des de la seua separació d’un antecessor comú. Mesurar els canvis és també mesurar temps.
Donada la seua naturalesa estocàstica, la mesura de les diferències en la seqüència[14] en cadenes peptídiques equivalents sempre patix d’un cert grau d’imprecisió, però constituïx un bon fonament per a construir el rellotge.
No tan simple
Un rellotge ha de mesurar el temps, i un rellotge molecular ha de ser, per tant, un instrument capaç de mesurar el temps mitjançant l’ús intel·ligent de les propietats d’algunes molècules. En un article publicat en 1985, Sibley i Ahlquist recorden que:
«Émile Zuckerkandl i Linus Pauling, en aquell temps en l’Institut de Tecnologia de Califòrnia, van proposar en 1962 que les proteïnes evolucionaven a velocitat constant; des de llavors molt s’ha discutit i debatut sobre els «rellotges moleculars».»[15]
El rellotge evolutiu molecular de Zuckerkandl i Pauling va suscitar infinitat de treballs, comprovacions, debats i crítiques ben argumentades. A continuació, en citem algunes d’elles:
- 1. No era un verdader rellotge, sinó solament una ferramenta capaç d’ordenar esdeveniments en el temps, sense unitats definides. No permetia mesurar el temps en anys. Necessitava un calibratge per a ser eficaç com a rellotge.
- 2. La regularitat en la substitució peptídica no era tan bona com prometia. Es van detectar grans diferències en les taxes de substitució d’aminoàcids en diferents proteïnes i fins i tot entre llinatges.
- 3. Algunes de les seues primeres aplicacions concretes van donar resultats difícils de creure o incompatibles amb fets coneguts.
- 4. Es va considerar la possibilitat que el procés de selecció natural interferira en les taxes de substitució.
- 5. Donava preeminència a les mutacions puntuals i concedia escassa importància a les alteracions genètiques relacionades directament amb el cicle cel·lular, contra l’opinió més generalitzada.
- 6. Va donar lloc a l’aparició de la teoria neutralista de Motoo Kimura[16], qui va afirmar que la majoria de les mutacions són neutres i per tant indetectables per a la selecció natural. El neutralisme de Kimura va desencadenar una notable polèmica i va obligar a reconsiderar aspectes importants de la teoria evolutiva.
- 7. Va descobrir la importància de les anomenades “mutacions silencioses”.
- 8. Va obrir el camí a rellotges d’ADN bacterià, mitocondrial i nuclear i d’ARN.
Cada punt esmentat, i podríem fer més llarg el llistat, mereix per si mateix un estudi a part.
Un rellotge amb futur
El rellotge evolutiu molecular persistix. A més de seixanta anys de la seua formulació, ha donat lloc a centenars de publicacions. Ha sigut calibrat, reconsiderat, enriquit i matisat. Ha hagut necessitat d’aprendre a utilitzar-ho de manera intel·ligent, minimitzant els seus inconvenients i aprofitant les seues millors qualitats. Hui dia és una ferramenta imprescindible en l’estudi de l’evolució i proporciona estimacions fiables, aptes per a ser comparades amb les obtingudes per altres procediments, que no és poca cosa.
A més, continua proporcionant resultats que ajuden a situar i entendre qüestions evolutives que van des de la bioquímica comparada fins als processos macroevolutius, qüestionant sobreentesos i a vegades promovent nous debats. Signes tots ells de la seua excel·lent salut.
Zuckerkandl pot sentir-se satisfet d’aquell involuntari canvi de rumb.
© Sensio Carratalà Beguer
REFERÈNCIES BIBLIOGRÀFIQUES
Ayala, Francisco J. «Vagaries of the molecular clock.» Proceedings of the National Academy of Sciences 94.15 (1997): 7776-7783.
J. D. Watson, A. Berry. ADN el secreto de la vida. 2003. Taurus.
Kimura, Motoo. «Molecular evolutionary clock and the neutral theory.» Journal of molecular evolution 26.1 (1987): 24-33.
Zuckerkandl, E. y Pauling, L., 1965. Evolutionary divergence and convergence in proteins. En: V. Bryson y Vogel H.J., eds. Evolving genes and proteins. New York: Academic Press. Pp. 97-166.
NOTES
[1] Nascut en 1901, considerat el millor químic de la seua generació, va rebre el Premi Nobel de Química en 1954 pels seus estudis sobre l’enllaç químic i l’estructura alfa-hèlix de les proteïnes. A més, va rebre el Premi Nobel de la Pau en 1961.
Va ser presentat per J. D. Watson com l’enemic a batre en la carrera per descobrir l’estructura de l’ADN. Watson i Crick es van servir del seu llibre “The Nature of the Chemical Bond” del mateix Pauling per a guanyar-li.
[2] https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/1954/pauling/facts/
Prize motivation: “for his research into the nature of the chemical bond and its application to the elucidation of the structure of complex substances”.
[3] El llibre de Pauling titulat “La naturalesa de l’enllaç químic” (The nature of chemical bond. Cornell University Press, 1960), esdevingué la principal referència sobre el tema.
[4] L’hemoglobina humana té quatre cadenes, (dos cadenes α i dos cadenes β) peptídiques unides a un grup hem, no proteic. Curiosament, com l’hemocianina, l’hemoglobina també té un catió metàl·lic, ferro.
Els aminoàcids units químicament en una cadena reben el nom de pèptids. Es diu estructura primària a la seqüència o llista ordenada de pèptids d’una cadena peptídica.
Per a l’estudi del rellotge evolutiu molecular interessen les cadenes peptídiques.
[5] J. D. Watson, A. Berry. ADN el secreto de la vida. 2003. Taurus. Pág. 243.
[6] Zuckerkandl, Emile, Richard T. Jones, and Linus Pauling. «A comparison of animal hemoglobins by tryptic peptide pattern analysis.» Proceedings of the National Academy of Sciences 46.10 (1960): 1349-1360.
[7] El forment original, per exemple, tenia 7 parells de cromosomes, mentres que ara es cultiven habitualment forments de 21 i 28 parells de cromosomes. En: Feldman, Moshe; Sears, Ernest R. Los recursos genéticos silvestres del trigo. Investigación i Ciencia, març de 1981. Pàg. 50.
[8] Unitats que componen els àcids nucleics. Cada nucleòtid d’ADN està constituït per la unió química d’una molècula de desoxiribosa, una molècula de fosfat i una base nitrogenada.
[9] Les mutacions en les cèl·lules somàtiques no passen a la següent generació, es perden a la mort de l’individu.
[10] En la pràctica és impossible que dos poblacions completament separades acumulen exactament les mateixes mutacions al llarg del temps. El conjunt de mutacions acumulades per les dos poblacions serà amb el pas del temps més i més diferent.
[11] El procés és conegut com a especiació al·lopàtrica. No és l’única forma de creació d’espècies.
[12] Les mateixes proteïnes o proteïnes equivalents: que tenen un origen evolutiu comú i realitzen la mateixa funció. Per exemple: l’hemoglobina de la sang de diferents animals.
[13] “The notion of a molecular evolutionary clock was therefore formulated by early 1961, although no formally explicated until 1965 in a paper by Zuckerkandl and Pauling”. Lewin data l’anunci en 1951, (Lewin, Roger. Patterns in evolution: the new molecular view. New York: Scientific American Library), però quasi totes les referències consultades indiquen que l’anunci aparegué en el article: E. Zuckerkandl & L.B. Pauling (1962) Molecular disease, evolution, and genetic heterogeneity. In Horizons in Biochemistry, pp. 189-225.
[14] Més tard es va saber que els canvis en la seqüencia de nucleòtids de ADN a sovint no causa canvis immediats en la seqüencia peptídica de la cadena que codifiquen. D’altra banda, l’atzar podria produir canvis que revertiren canvis anteriors.
[15] Charles G. Sibley y Jon E. Ahlquist. Filogenia de las aves mediante comparación de ADN. Investigación y Ciencia. Abril 1986. Pág. 64.
[16] Kimura, Motoo. «Teoría neutralista de la evolución molecular.» Investigación y ciencia 40.180 (1980): 46-55.
Deja una respuesta