domingo, enero 03, 2010

Biología molecular de la célula (entrevista a Bruce Alberts)

Los seres vivos son o bien complejos e intrincadamente coordinados agregados de células o bien, como era en un principio, células individuales. Cada célula es una sociedad en miniatura. En ella los individuos son moléculas e interaccionan de acuerdo con las leyes de la física y la química, intercambiando ATP, divisa de la energía biológica. Existe una clara división del trabajo y, pese a existir en las más grandes y complicadas de ellas un núcleo –las células eucariotas- no existe tal cosa como un centro o un director. El ADN contiene las instrucciones que guían la actividad celular, pero esta larga cadena de nucleótidos es una molécula inerte. Necesita el desgarrón químico de las proteínas y ARNs que realizan la transcripción y la traducción de su mensaje para fabricar, en los ribosomas, más proteínas.

Desde que en 1953 James Watson y Francis Crick revelaran la estructura del ADN se ha producido lo que podría calificarse como una auténtica revolución científica, que ha permitido comprender mejor –y seguir profundizando en la comprensión de- cómo funcionan los organismos, si, pero también nos enseña lo fundamental sobre cómo pudieron y cómo no pudieron evolucionar...su historia.

El análisis de la biología a nivel molecular y celular es imprescindible para ver lo que toda vida tiene en común, así como lo que diferencia –más allá de las apariencias- a unos organismos de otros. Permite, por tanto, establecer de manera fiable las relaciones de parentesco entre todos y cada uno de los seres vivos, a través de sus proteínas y sus ácidos nucleicos.

Bruce Alberts es un bioquímico americano que, para cualquiera que haya cursado biología molecular o se haya interesado en profundidad por ella, no necesita presentación. Su libro Biología Molecular de la Célula, escrito en colaboración con otros notables científicos, entre ellos el mismo James Watson, es el libro de referencia en lo que se refiere al estudio de la célula viva.

Su trabajo de investigación ha estado centrado fundamentalmente en la replicación del ADN y las proteínas asociadas. Sin embargo su interés por la educación ha ido mucho más allá de su disciplina. Desde la Presidencia del Consejo del SERP institute intenta promover mejoras en la educación científica en particular y en la educación en general que permitan que las futuras generaciones de profesionales y, en fin, de personas, sean más competentes, creativas, tolerantes y juiciosas.

Ha tenido, el Profesor Alberts, la inmensa amabilidad de responder a nuestras preguntas. Gracias a J.M.Guardia por revisar la corrección de las preguntas en inglés.

En ingles:

1.- What is life? How do you think it arose?

Life is the word that we use to describe the complex self-replicating systems of chemical catalysts, enclosed by a limiting membrane, that have adapted through a long Darwinian evolutionary process to fill nearly every part of the Earth. Most of this life exists in the form of tiny single cells that are invisible to the human eye.

There are many hypotheses about how life arose, but most scientists assume that the initial seeds were very simple cells that formed spontaneously and by chance. Because such cells would have been outcompeted to extinction as more and more complex cells evolved from them, we can not study these distant ancestors directly to retrace history. But researchers working with nucleic acid molecules that can simultaneously serve as an information store and as a catalyst are making progress in defining some of the possible early chemistry. Such studies would be greatly helped if samples returned to Earth from watery areas of Mars or other planetary bodies turn out to contain very primitive living cells, a possibility that would dramatically increase science’s ability to address origin of life puzzles.

2.- What is your hypothesis about the origin of the eukaryotic cell?

Eucaryotic cells arose by fusions that brought components of several types of earlier cells together. This happened much more than a billion years ago, but again we lack examples of cells still alive that are primitive enough to help us understand the process. It is not impossible that we will someday find them in some isolated niche: for example, as cells with a nuclear membrane that grow in the absence of oxygen and have never included an organelle that resembles a mitochondrion.

3.-"Irreductible complexity" of the cell machinery has been the main argument for Intelligent Design. On the other hand we have accumulated a good amount of knowledge about how the cell works. What is your expert feeling about the "irreductible complexity" of the cell? Do you think that genetics and biochemistry have added more difficulties or more support to the Theory of Evolution?

The ideas of “intelligent design” advocates have nothing to do with science. The development of a fly or a fish embryo from a single cell, which can follow cell by cell using modern technology, seems unimaginably complex — as complex to me as any evolutionary process. But we are certain that it all happens through normal chemistry and physics, without the intervention of an intelligent designer to steer the molecules through their amazing paces. Since 1978, I have been writing a cell biology textbook every 5 years with colleagues. With each new edition, we find that biologists are accumulating more evidence and understanding of evolution at the molecular level. Thus, modern science completely supports Darwin’s broad ideas.

4.-How do you think speciation happens? How does evolution work?

All of this happens more or less the way that Darwin envisioned it, except that he did not know how inheritance works, much less anything about DNA. Our new understanding of DNA, chromosome behavior, and how mutations randomly alter DNA sequence beautifully explains the source of the variability that, as Darwin pointed out, is required for the evolution of cells and multicellular organisms through natural selection.

5.-How much of the "program" of an alive being is outside of the nuclear DNA?

The cell is a self-replicating set of catalysts that form a “chemical collective”, so that no one molecule or part can be said to be alive more than another. The cell is the smallest unit that is alive, and this requires all of its parts.

6.-How many steps bring us from genes to behavior?

We can only answer this question for single cells with simple behaviors, where there are perhaps 20 or so molecular steps between an initial stimulus, such as a heat shock, and a protective response by the cell (a protective behavior). For humans, the answer will often be in the thousands.

7.- What does developmental biology research teach us about evolution?

Through studies of how embryos develop through the actions of specific genes, we are starting to discover how major changes occur during evolution, such as the loss of hind legs as mammals adapted to life in the sea. More broadly, we are finding that bodies of animals are built from molecular networks in a modular way, suggesting that Darwinian evolution eventually selected for developmental mechanisms that made the process of natural selection more powerful by providing a richer degree if variation to arise spontaneously as a result of random mutation. Entire books have now been written on this subject, for example, see: Kirschner, Marc W., and John C. Gerhart. 2005. The Plausibility of Life: Resolving Darwin’s Dilemma. New Haven, CT: Yale University Press.

8.-How can life overcome chaos? What is the thermodynamics of life?

We understand this aspect of life very well. Life creates new life and maintains itself by constantly using energy to order molecules inside the cell or organism. But, because this process is accompanied by (and directly coupled to) the release of a great deal of heat energy to the surrounding cell environment, the environment around the cell becomes more disordered (by the heat) than the inside of the cell becomes ordered. Thus, living things are continuously increasing the total amount of disorder in the universe (chaos) as required for any spontaneous process.

9.-What are you working on now? What is your highest intellectual challenge? What's the mystery you would dream to uncover?

How to make a science out of education. Specifically, how can we use the methods of science (mostly the social sciences and psychology) to create a much more effective system of education for young people, one that imbues them with a “scientific temper” – that is, with the creativity, rationality, openness, and tolerance that are inherent to science, and so critical to the future of our ever more diverse, crowded and complicated world. This means will require a much more effective and meaningful system of education research that is directly tied to real school settings and that has the respect of policymakers and citizens everywhere. This issue needs the urgent attention of a large number of the most talented scientists in every nation. (See, for example, www.serpinstitute.org, a new non-profit organization for which I serve as Board chair).


En castellano:

1 .- ¿Qué es la vida? ¿Cómo cree que surgió?

Vida es la palabra que usamos para describir los complejos sistemas auto-replicantes de catalizadores químicos, rodeados por una membrana limitante, que se han adaptado a través de un largo proceso evolutivo darviniano para ocupar prácticamente cada lugar de la tierra. La mayor parte de esta vida existe en forma de pequeñas células individuales invisibles para el ojo humano.

Hay muchas hipótesis sobre el surgimiento de la vida, pero la mayoría de los científicos suponen que las semillas iniciales fueron células muy simples que se formaron espontáneamente y por casualidad. Debido a que estas células fueron llevadas a la extinción por las cada vez más complejas células que evolucionaron a partir de ellas, no podemos estudiar estos antepasados directamente volviendo a trazar la historia. Pero los investigadores que trabajan con moléculas de ácido nucleico, las cuales sirven a un tiempo como almacén de información y como catalizadores, están haciendo progresos al definir algunos de los posibles comienzos químicos. Tales estudios recibirían una enorme ayuda si las muestras traídas a la tierra desde las zonas acuosas de Marte o de otros cuerpos planetarios resultaran contener células vivas muy primitivas, una posibilidad que aumentaría dramáticamente la capacidad de la ciencia para dirigirse al rompecabezas del origen de la vida.

2 .- ¿Cuál es su hipótesis sobre el origen de la célula eucariota?

Las células eucariotas surgieron a través de fusiones que reunieron componentes de varios tipos de células más antiguas. Esto sucedió hace mucho más de mil millones de años pero, una vez más, echamos en falta ejemplos de células que sigan vivas y que sean lo suficientemente primitivas para ayudarnos a entender el proceso. No es imposible que algún día las encontremos en algún nicho aislado: por ejemplo, como células con una membrana nuclear, que crezcan en ausencia de oxígeno y nunca hayan tenido un orgánulo que se parezca a una mitocondria.

3 .- La "complejidad Irreducible" de la maquinaria celular ha sido el principal argumento del Diseño Inteligente. Por otro lado, hemos acumulado una buena cantidad de conocimientos sobre cómo funciona la célula. ¿Cuál es su parecer como experto sobre la "complejidad irreducible" de la célula? ¿Cree que la genética y la bioquímica han añadido más objeciones o más apoyo a la teoría de la evolución?

Las ideas de los defensores del "diseño inteligente" no tienen nada que ver con la ciencia. El desarrollo del embrión de una mosca o un pez a partir de una sola célula, que puede seguirse célula a célula gracias a la tecnología moderna, parece increíblemente complejo -tan complejo para mí como cualquier proceso evolutivo. Pero estamos seguros de que todo sucede a través de la química y la física normales, sin intervención de un diseñador inteligente que dirigiera a las moléculas en sus sorprendentes pasos. Desde 1978, he estado escribiendo un libro de texto de biología celular cada 5 años con otros colegas. Con cada nueva edición, nos encontramos con que los biólogos están acumulando más pruebas y comprensión de la evolución a nivel molecular. Así, la ciencia moderna apoya por completo las amplias ideas de Darwin.

4.-¿Cómo cree que ocurre la especiación? ¿Cómo funciona la evolución?

Todo sucede más o menos en la forma en que Darwin lo vio, salvo que él no conocía cómo funciona la herencia, y mucho menos aún el ADN. Nuestra nueva comprensión del ADN, el comportamiento de los cromosomas, y cómo las mutaciones al azar alteran la secuencia de ADN, explican bellamente el origen de la variabilidad que, como Darwin señaló, es necesaria para la evolución de las células y los organismos multicelulares a través de la selección natural.

5.-¿Qué parte del "programa" de un ser vivo se encuentra fuera del ADN nuclear?

La célula es un conjunto de catalizadores auto-replicantes que constituyen una "química colectiva", así que ninguna molécula o parte de ella puede decirse que esté más viva que otra. La célula es la unidad viva más pequeña, y esto requiere de todas sus partes.

6.-¿Cuántos pasos nos llevan de los genes a la conducta?

Sólo podemos responder esta pregunta para células individuales con comportamientos simples, donde hay tal vez 20 o más pasos moleculares entre un estímulo inicial, como un golpe de calor, y una respuesta protectora de la célula (un comportamiento de protección). Para los humanos, la respuesta suele estar en los miles.

7 .- ¿Qué nos enseña sobre la evolución la investigación en biología del desarrollo?
Por estudios sobre cómo se desarrolla el embrión a través de la acción de genes específicos, estamos empezando a descubrir cómo suceden los cambios importantes en la evolución, tales como la pérdida de las patas traseras mientras los mamíferos se adaptaban a la vida en el mar. En términos más generales, encontramos que los cuerpos de los animales se construyen a través de redes moleculares en forma modular, lo que sugiere que la evolución darviniana seleccionó finalmente los mecanismos del desarrollo que hicieron el proceso de selección natural más poderoso, proporcionando una más rica gradación si la variación surgía espontáneamente como resultado de mutaciones al azar. Se han escrito libros enteros sobre este tema, por ejemplo, ver: Kirschner, Marc W., y John C. Gerhart. 2005. La plausibilidad de la vida: resolviendo el dilema de Darwin. New Haven, CT: Yale University Press.

8.-¿Cómo puede la vida superar el caos? ¿Cuál es la termodinámica de la vida?

Entendemos este aspecto de la vida muy bien. La vida crea nueva vida y se mantiene a sí misma mediante una constante utilización de la energía a fin de ordenar las moléculas dentro de la célula o el organismo. Pero, ya que este proceso va acompañado de (y directamente acoplado a) la liberación al ambiente que rodea la célula de una gran cantidad de energía calorífica, el medio alrededor de la célula se hace más desordenado (por el calor) mientras el interior de la célula se ordena. Así pues, los seres vivos están continuamente aumentando la cantidad total de desorden en el universo (el caos), como requerimiento para cualquier proceso espontáneo.

9.-¿En qué trabaja ahora? ¿Cuál es tu mayor desafío intelectual? ¿Cuál es el misterio que sueña con descubrir?

Cómo hacer una ciencia de la educación. Específicamente, cómo podemos utilizar los métodos de la ciencia (principalmente de las ciencias sociales y la psicología) para crear un sistema mucho más eficaz de educación para los jóvenes, que dote a los mismos de un “carácter científico" - es decir, con la creatividad, la racionalidad , la apertura y la tolerancia inherentes a la ciencia- tan necesario para el futuro de nuestro cada vez más diverso, poblado y complicado mundo.

Estos recursos requerirán un sistema de investigación en educación mucho más efectivo y significativo, que esté directamente vinculado con los colegios tal como están configurados, y que cuente con el respeto de políticos y ciudadanos en todas partes. Esta cuestión requiere la atención urgente de gran número de los científicos más talentosos de cada nación. (Véase, por ejemplo, www.serpinstitute.org, una nueva organización sin fines de lucro en la que soy Presidente del Consejo).