Del gen al gel, una rápida exploración de las características fisicoquímicas del ADN

El ADN es la molécula que contiene la información genética de todos los seres vivos (color de ojos, etc.). Desde una simple bacteria hasta un ser humano, el ADN guarda la información esencial que permite que la vida exista tal como la conocemos. En el año 1953 se determinó que el ADN tiene una estructura de doble hélice (Fig.1A), parecida a una escalera retorcida. Cada “peldaño” de esta escalera está formado por dos bases nitrogenadas que se aparean de forma específica: La adenina se une con timina mediante dos puentes de hidrógeno, mientras que citosina se une con guanina mediante tres puentes de hidrógeno (Fig. 1A).

Estas bases están unidas a un esqueleto externo, compuesto por un azúcar de cinco carbonos, llamado desoxirribosa y un grupo fosfato (PO₄^3-) (Fig.1B). Cada una de estas unidades completas forman un nucleótido, y millones de ellos, unidos como cuentas de un collar, forman las largas cadenas del ADN.

La disposición (o secuencia) de las bases nitrogenadas a lo largo de la cadena es lo que codifica la información genética, algo así como letras formando palabras y frases en un lenguaje molecular simplemente hermoso.

Aunque solemos pensar en el ADN como un simple portador de información, su comportamiento en el laboratorio y dentro de la célula está profundamente determinado por su química. Una de las características más importantes del ADN es que tiene carga negativa. Esto se debe a los grupos fosfato que forman parte de su esqueleto, los cuales se unen entre sí mediante enlaces fosfodiéster (Fig.1B). Estos enlaces conectan el carbono 5’ de un nucleótido con el carbono 3’ del siguiente, liberando agua en el proceso.

Cada grupo fosfato conserva una carga negativa, lo que convierte al ADN en una molécula polianiónica; es decir, con muchas cargas negativas a lo largo de su estructura. Esta propiedad tiene consecuencias muy interesantes: Hace que el ADN se repele a sí mismo, ayudando a mantener la forma de doble hélice.

Le da solubilidad en agua, pero hace que precipite (que se vuelva insoluble) si se añaden solventes como etanol o isopropanol, que desorganizan la capa de agua que lo estabiliza. Este fenómeno se aprovecha en la metodología de extracción del ADN.

A pesar de su apariencia frágil, el ADN es una molécula altamente estable, gracias a los enlaces puentes de hidrógeno entre las bases complementarias (A-T y C-G), que mantienen unidas las dos hebras, el apilamiento de bases, una especie de “efecto ladrillo” en el que las bases nitrogenadas se alinean unas sobre otras, estabilizadas por fuerzas hidrofóbicas y de Van der Waals, así como la resistencia de los enlaces fosfodiéster, que sostienen la columna vertebral de la molécula.

Sin embargo, esta estabilidad no es invulnerable. Cuando se altera la temperatura, el pH o la concentración de sales en el medio, los puentes de hidrógeno pueden romperse, y las dos cadenas del ADN se separan. A este proceso se le llama desnaturalización.

¿Por qué queremos ver el ADN?

Más allá de la curiosidad y del conocimiento básico, visualizar el ADN tiene enormes implicaciones prácticas. Poder ver, analizar y manipular esta molécula ha revolucionado muchos campos. Unos ejemplos son el diagnóstico de enfermedades genéticas y cáncer, aplicación de tecnologías como CRISPR, que permite editar genes y corregir mutaciones, diseño de vacunas modernas, como las de ARN mensajero usadas contra el COVID-19, mejoramiento genético en agricultura, realización de pruebas de paternidad, incluso estudio de la diversidad genética en especies animales para su conservación.

El viaje del ADN a través del gel: la electroforesis

Una de las formas más visuales y efectivas de analizar el ADN en el laboratorio es usando una técnica llamada electroforesis en gel de agarosa la cual se basa en un principio fisicoquímico muy sencillo.

Dado que el ADN posee carga negativa, se ve atraído hacia el polo positivo al aplicar un campo eléctrico (las cargas opuestas se atraen) y viaja en el gel de agarosa (Fig.2). La agarosa, es un polisacárido compuesto por unidades de D-galactosa y 3,6-anhidro-L-galactosa, los cuales forman una red porosa que actúa como tamiz molecular (parecido a un colador) que permite el paso del ADN a través del gel (Fig.2).

Para poder visualizar el ADN una vez que ha migrado a través del gel, este debe ser teñido con un agente que se une específicamente a las moléculas de ADN. Uno de los colorantes más utilizados es el bromuro de etidio, aunque actualmente también se emplean colorantes más seguros como SYBR Safe. Estos compuestos se intercalan entre las bases nitrogenadas del ADN y, al ser expuestos a luz ultravioleta, emiten fluorescencia, lo que permite observar las bandas de ADN como líneas brillantes dentro del gel. Gracias a este proceso, es posible identificar el tamaño y la cantidad relativa de ADN presente en cada muestra.