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HISTORIA DE LA BIOLOGÍA VII
La Biología Moderna
Ramón Muñoz-Chápuli
enero-marzo 2013
Factores:
• Progresivo cambio del centro de gravedad de Alemania a EE.UU. • Instituciones de investigación desligadas de museos y Universidades
(según el modelo del Instituto Kaiser Wilhelm, Berlin 1910) • Avances científicos y técnicos (fotografía, rayos X, microscopía
electrónica, química, isótopos radiactivos) • Nuevo modelo de investigación: El Equipo frente al Sabio; la
publicación colectiva
The genome sequence of Schizosaccharomyces pombe. Wood V, Gwilliam R, Rajandream MA, Lyne M, Lyne R, Stewart A, Sgouros J, Peat N, Hayles J, Baker S, Basham D, Bowman S, Brooks K, Brown D, Brown S, Chillingworth T, Churcher C, Collins M, Connor R, Cronin A, Davis P, Feltwell T, Fraser A, Gentles S, Goble A, Hamlin N, Harris D, Hidalgo J, Hodgson G, Holroyd S, Hornsby T, Howarth S, Huckle EJ, Hunt S, Jagels K, James K, Jones L, Jones M, Leather S, McDonald S, McLean J, Mooney P, Moule S, Mungall K, Murphy L, Niblett D, Odell C, Oliver K, O'Neil S, Pearson D, Quail MA, Rabbinowitsch E, Rutherford K, Rutter S, Saunders D, Seeger K, Sharp S, Skelton J, Simmonds M, Squares R, Squares S, Stevens K, Taylor K, Taylor RG, Tivey A, Walsh S, Warren T, Whitehead S, Woodward J, Volckaert G, Aert R, Robben J, Grymonprez B, Weltjens I, Vanstreels E, Rieger M, Schäfer M, Müller-Auer S, Gabel C, Fuchs M, Düsterhöft A, Fritzc C, Holzer E, Moestl D, Hilbert H, Borzym K, Langer I, Beck A, Lehrach H, Reinhardt R, Pohl TM, Eger P, Zimmermann W, Wedler H, Wambutt R, Purnelle B, Goffeau A, Cadieu E, Dréano S, Gloux S, Lelaure V, Mottier S, Galibert F, Aves SJ, Xiang Z, Hunt C, Moore K, Hurst SM, Lucas M, Rochet M, Gaillardin C, Tallada VA, Garzon A, Thode G, Daga RR, Cruzado L, Jimenez J, Sánchez M, del Rey F, Benito J, Domínguez A, Revuelta JL, Moreno S, Armstrong J, Forsburg SL, Cerutti L, Lowe T, McCombie WR, Paulsen I, Potashkin J, Shpakovski GV, Ussery D, Barrell BG, Nurse P. Nature. 2002 Feb 21;415(6874):871-80.
El instituto Kaiser Wilhelm de Biología
El instituto Max Planck de Bioquímica en Martinsried
Gregor Mendel,1822-1884 • Su trabajo se enmarca en los estudios de la
herencia por hibridación • Establece la existencia de factores discretos
determinantes de los caracteres • El redescubrimiento de estos “factores” inicia
una nueva era en la Biología
El jardín de Mendel en Brno Su aportación es sobre todo metodológica
• Utilización de hipótesis de trabajo • Control de las condiciones experimentales • Análisis estadístico de los resultados
Hugo de Vries 1848—1935 Carl Correns 1864-1933 E. Von Tschermak 1871-1962
Las leyes de Mendel son redescubiertas simultáneamente en 1900 por tres investigadores Nace la Genética con el objetivo de localizar los factores portadores de la herencia e identificar su naturaleza
• Hugo de Vries enuncia en 1901 la Teoría de la Mutación • Theodore Boveri (1862-1915) fusiona en 1904 Citología y Genética al
proponer que los factores hereditarios residen en los cromosomas • William Bateson (1861-1926) extiende las leyes de Mendel a los
animales y crea los términos “alelo”, “homo y heterocigoto” y “Genética” en 1907
• El enunciado de la Ley del equilibrio (Hardy-Weinberg) en 1908 es el origen de la Genética de Poblaciones
• W. Johanssen (1857-1927) acuña el término “gen” en 1909
Reginald Punnett y William Bateson Cuadro de Punnet
• Thomas Hunt Morgan decide estudiar la base material de la herencia y elige la mosca de la fruta (Drosophila) como modelo en 1907
• Primero en Nueva York y luego en Pasadena, Morgan y su equipo descubren el ligamiento, el entrecruzamiento, las inversiones génicas y la forma de elaborar mapas genéticos
• En 1912 enuncia la hipótesis de que el gen es un fragmento de cromosoma
• En 1926 publica La teoría del gen • Premio Nobel en 1933
La precursora: Nettie Stevens (1861-1912) • Descubre el cromosoma Y de
los insectos y la determinación cromosómica del sexo
• Es probable que influyera en la decisión de Morgan (que fue su profesor) en la elección de Drosophila como modelo
H.J. Muller, 1890-1967 Logra la primera mutación por rayos X Nobel 1946
A.H. Sturtevant, 1891-1970 Primer mapa genético del cromosoma X de Drosophila
C.B. Bridges 1889-1938 Ligamiento génico
Entre 1920 y 1940 se va a realizar la síntesis entre mutacionismo, genética mendeliana y selección natural
R.A. Fisher (1890-1962) Matemático Desarrolla la genética de poblaciones
Sewall Wright (1889-1988) Estudia los caracteres hereditarios desde el punto de vista cuantitativo
J.B.S Haldane (1892-1964) Desarrolla los aspectos matemáticos de la selección natural
La Síntesis (Neodarwinismo) es completada en los años 40
La evolución queda definida como el resultado de cambios en la composición genética de las poblaciones sometidas a selección natural
Theodosius Dobzhansky (1900-1975)
Ernst Mayr (1904-2005)
Julian Huxley (1887-1975)
Georges G. Simpson (1902-1984)
La Biología del Desarrollo es revolucionada por el descubrimiento del organizador Los estudios embriológicos llevan al desarrollo de los métodos de cultivo celular
Hans Spemann 1869-1941 Premio Nobel 1935
Hilde Mangold 1898-1924
• La adrenalina es descubierta por Abel en 1899
• El concepto de hormona es de E. Starling (1905) a partir de los estudios sobre la secreción pancreática (discípulo de Kuhne)
• La tiroxina se descubre en 1914 y la insulina en 1921
Ernest Starling (1866–1927)
Se van desvelando los misterios del metabolismo celular: • La glucólisis (Otto Meyerhof, 1884-1951, Nobel 1922) • El cíclo del ácido cítrico (Hans A. Krebs , 1900-1981, Nobel 1953)
Casimir Funk (1884-1967) establece el concepto de vitamina en 1911, a partir de observaciones de Christian Eijkman, un médico holandés (Nobel 1929) La primera (Tiamina, B1) se aisla de la cáscara de arroz en 1926. Poco después se identifican la A, la D y la C
Las vitaminas
Descubrimiento de los virus • La primera actividad viral (quimera del tabaco) fue descrita por
Ivanowsky en Crimea en1892. • En 1898, el botánico holandés Martinus W. Beijerinck llama “virus” al
agente infeccioso. No pudo cultivarlo ni acabar con la epidemia. • No eran aplicables los postulados de Koch. • Woods estudió la epidemia en EE.UU. a partir de 1900.
• Los bacteriófagos son descubiertos en 1917 por Twort y Bordet • Se pensaba que podían ser enzimas (moléculas de gran tamaño)
(Wendell Stanley, Nobel 1946). • Se reconocen en 1941 gracias al microscopio electrónico • Se consiguen cultivar en huevos (Goodpasture, 1931)
Ernst Ruska (1906-1987) Inventor del microscopio electrónico Nobel 1986
Virus de la gripe
• Primeros antibióticos en los años 40, aunque las sulfamidas se utilizan desde algunos años antes
• La penicilina es descubierta por Alexander Fleming (1881-1955) en 1928, pero no es producida de forma industrial hasta la segunda guerra mundial
• Nobel en 1945 con Chain y Florey
• Fleming y el “arte microbiano”
Inmunologia • El descubrimiento de los grupos sanguineos ABO y del antígeno Rh (Karl
Landsteiner, 1868-1943, Nobel 1930) estimula el estudio de la reacción inmune
• Se desarrolla el concepto de “anticuerpos” (de Ehrlich) que finalmente se identifican como proteínas (O. Avery) y en concreto como las gamma-globulinas del plasma (Arne Tiselius, 1902-1971, Nobel en 1948)
• Astrid Fagraeus (1948) descubre que los anticuerpos son producidos por los linfocitos B
• Linus Pauling confirma la idea original de “llave y cerradura” de Ehrlich
Tiselius
Fagraeus
Linus Pauling (1901-1994) • Uno de los investigadores más grandes de todos los
tiempos • Nobel de Química en 1954 (enlace químico) • Nobel de la Paz en 1962 • Estudios sobre el plasma sanguíneo y los anticuerpos • Inmunología: la unión de antígeno y anticuerpo
depende de la estructura espacial, no de la composición quimica
• Difracción de rayos X • Estructura de proteínas (hélice alfa, hemoglobina) • Causa de la anemia falciforme • Casi logra descubrir la estructura del ADN • Electroquímica • Primeros estudios sobre contaminación atmosférica • Entusiasta de la vitamina C
La “triple hélice” del ADN
Bioquímica : • Franz Hofmeister (1850-1922) y Emil Fischer (1852-
1919): las proteínas son polipéptidos (polímeros de aminoácidos (Fischer recibe el Nobel en 1902)
• Sumner (1926) confirma la naturaleza proteica de las enzimas mediante purificación de la ureasa (Nobel 1946)
• Las proteínas son, por tanto, componentes estructurales y funcionales de los seres vivos. Hofmeister
James B. Sumner
El grupo del Fago Se trata de un grupo internacional y multidisciplinar que elige al bacteriófago como modelo para estudiar la transmisión de caracteres a nivel molecular Delbruck, Hershey y Luria reciben el Premio Nobel en 1969
El experimento Hershey-Chase (1952)
Los cursos de verano en Cold Spring Harbor Esther Lederberg, Gunther Stent, Sidney Brenner, Joshua Lederberg, Salvador y Zella Luria
George Beadle y Edward Tatum, trabajando con un hongo como modelo, establecen el concepto: Un gen – un enzima – una reacción química Reciben el Premio Nobel en 1958 junto con Joshua Lederberg (genética bacteriana)
O. Avery, M. McLeod y M. McCarthy finalmente identifican al DNA como la “sustancia transformante ” de los neumococos (1944) Toda la atención queda concentrada en la estructura del DNA
Oswald Avery (1877-1955)
A partir de datos cristalográficos obtenidos por Rosalind Franklin (1920-1958) y Maurice Wilkins (1916-2004), Francis Crick (1916-2004) y James Watson (1928) proponen en 1953 un modelo molecular para la estructura del ADN Obtienen el Premio Nobel en 1962 (Rosalind Franklin fallece en 1958)
Franklin Wilkins
Watson y Crick
“No se nos escapa el hecho de que el apareamiento específico que hemos postulado sugiere inmediatamente un posible mecanismo de copia para el material genético”
Santiago Ramón y Cajal, (1852-1934) Nobel en 1906
Severo Ochoa (1905-1993) Nobel en 1959
Antonio Gª Bellido Ginés Morata Juan Modolell
Margarita Salas
María Blasco Carlos López Otín Mariano Barbacid
Joan Massagué Ángela Nieto J.C. Izpisúa Belmonte
Salvador Martínez Luis Puelles
La genómica y la “materia oscura del genoma”
Reguladores
Mensajeros Proteínas
Mensajeros Mensajeros
Mensajeros
Mensajeros
Proteína
Proteína
Proteína
Proteína
miRNAs
Reguladores Reguladores Reguladores
GEN
La Biología Sintética
Craig Venter Fundador de Celera Genomics
La reprogramación celular
Shinia Yamanaka, Nobel 2012
La terapia génica
Neurociencia: Neurobiología Psicología Informática Matemáticas Lingüística Farmacología
Instituto de Neurociencias de Alicante
Carlos Belmonte
El 1975 e descubre una falta de
correspondencia entre divergencia genética y
morfológica
Puesta de relieve por Allan C. Wilson y
Mary Claire King en 1975 al comparar
genes humanos y de chimpancés
60% de
identidad
genética
98.77% de identidad
genética
Evolución: ¡Convergencia con el desarrollo!
Los genes implicados en la construcción de los
animales, no sólo son pocos... Son los mismos
Ojos ectópicos inducidos por expresión del gen Pax-6
La mutación de Pax-6 en humanos produce Aniridia
Mutante eyeless en Drosophila
Los mismos genes organizan el eje AP de vertebrados y Drosophila
Genes Hox
El concepto fundamental: Existe una caja de
herramientas genética (toolkit) para construir un
organismo a lo largo del desarrollo
EVO-DEVO: un nuevo concepto en Biología evolutiva
La gran paradoja: Si los genes de la caja de
herramientas son tan similares entre sí, ¿de dónde
procede la diversidad?
Mutaciones en elementos cis-reguladores (CREs)
Controlan el patrón espacial y temporal de la expresión
de los genes del toolkit
Diferencia entre un gen
estructural y un gen del
toolkit implicados en
desarrollo del ojo.
Cambio en regulación espacial: El paso de
la aleta a la pata implica un nuevo dominio
de expresión de Hoxd-11 y Hoxd-13, que
forma ejes esqueléticos adicionales
Polisindactilia (mutación en Hoxd-13)
Aumento del tamaño
de los dedos en
murciélagos y
aumento en la
actividad de un CRE
en el gen Bmp2
(Sears et al. PNAS,
103:6581, 2006)
Evo-Devo
experimental
Introducción del
enhancer BatE en el
gen Prx1 de ratón
(Cretekos et al., Genes Dev. 22:141 (2008)
Sobreexpresión de Hoxd13 en la aleta del pez
cebra
(Freitas et al., Dev. Cell 23:1219–1229, 2012)
José Luis Gómez-Skarmeta y
Fernando Casares
Evo-Devo
experimental…
En España
Pigliucci, Ann. N.Y. Acad. Sci. 1168: 218–228 (2009)
