El año 2023 marca el 70 aniversario de la histórica caracterización del ADN por James Watson y Francis Crick con un artículo publicado en la revista Nature el 25 de abril de 1953.
Su descubrimiento fue la culminación de una década de intensa investigación tras la demostración de Oswald T. Avery, Colin MacLeod y Maclyn McCarty de que el ADN, y no las proteínas como se pensaba anteriormente, es la molécula hereditaria (1944).
Hoy en día, la historia del ADN se cuenta a menudo como si hubiera comenzado con estos descubrimientos fundamentales. Sin embargo, la descripción del ADN comenzó en realidad hace 154 años con su descubrimiento por Friedrich Miescher, un hombre mucho menos conocido que aisló el material hereditario en 1869.
A los 17 años comenzó sus estudios de medicina en Basilea -sólo interrumpidos por un semestre en Gotinga (Alemania)- y los concluyó en la primavera de 1868, a la edad de 23 años.
Para satisfacer el deseo de su padre de "competencia práctica", Miescher se especializó como otólogo tras finalizar su formación médica básica. Sin embargo, Miescher sólo tenía un interés muy limitado en la práctica de la medicina, sobre todo porque le resultaba difícil examinar a sus pacientes debido a su mala audición, consecuencia de una infección de oído que había sufrido durante la infancia. Su gran interés por los "fundamentos teóricos de la vida" le sugirió que se dedicara a la investigación.
Poco después de aprobar su examen en la primavera de 1868, Miescher se trasladó a Tubinga (Alemania) para estudiar histoquímica.
Inspirado por la convicción de His de que "las últimas cuestiones pendientes relativas al desarrollo de los tejidos sólo podrían resolverse sobre la base de la química", tenía la intención de trabajar en el laboratorio del distinguido bioquímico Felix Hoppe-Seyler. Sin embargo, antes de incorporarse al laboratorio de Hoppe-Seyler, Miescher pasó un semestre en el laboratorio de química de Adolph Strecker para familiarizarse con las técnicas de la química orgánica. Sólo después de haber adquirido una sólida formación, Miescher se incorporó al laboratorio de Hoppe-Seyler en el otoño de 1868.
Inicialmente, Miescher intentó aislar las células para sus experimentos de los ganglios linfáticos, pero era difícil purificar los linfocitos e imposible obtener cantidades suficientes para el análisis (Miescher, 1869a). Por sugerencia de Hoppe-Seyler, Miescher pasó a examinar los leucocitos y obtuvo las células para sus experimentos del pus de vendajes quirúrgicos frescos, que recogió de la cercana clínica quirúrgica de Tubinga. En el pus encontró el material de base ideal para sus análisis, y su "pureza histológica" le permitió lograr la purificación más completa de los componentes químicos que constituyen las células (Miescher, 1869a).
Al principio, Miescher se centró en los distintos tipos de proteínas que componen los leucocitos, ya que las proteínas se consideraban los objetivos más prometedores para comprender el funcionamiento de las células. Miescher demostró que las proteínas (y los lípidos) eran los principales componentes del citoplasma de las células, describió sus propiedades con cierto detalle e intentó clasificarlas (Miescher, 1869a, Miescher, 1871d). Sin embargo, su trabajo se vio obstaculizado por los sencillos protocolos y equipos de que disponía y la diversidad de proteínas dentro de las células superó sus métodos analíticos.
Sin embargo, durante estas pruebas, Miescher observó que una sustancia precipitaba de la solución cuando se añadía ácido y volvía a disolverse cuando se añadía álcali (Miescher, 1869a, Miescher, 1871d).
Había obtenido, por primera vez, un precipitado bruto de ADN.
Miescher declaró que "según los hechos histoquímicos conocidos, tenía que atribuir dicho material a los núcleos" y decidió examinar más de cerca los núcleos de las células, una parte de la célula sobre la que se sabía muy poco en aquel momento.
Al darse cuenta de la importancia que podía tener, escribió: "Un material formado únicamente por células, como éste, exigiría sobre todo un estudio serio de la constitución química del núcleo de la célula" (Miescher, 1871d). Sin embargo, Miescher seguía necesitando separar la nueva sustancia de las proteínas en sus extractos celulares para poder analizarla mejor. Así pues, tuvo que desarrollar nuevos protocolos para separar primero los núcleos de las células del citoplasma y a continuación aislar el enigmático precipitado.
Al elaborar las condiciones de aislamiento, Miescher se dio cuenta de que, a pesar de tener propiedades similares a las proteínas, la nueva sustancia no era una proteína.
El 26 de febrero de 1869, informó del descubrimiento de esta misteriosa sustancia en una carta a Wilhelm His (Miescher, 1869a): "En mis experimentos con líquidos poco alcalinos, se formaron precipitados en las soluciones después de la neutralización que no podían disolverse en agua, ácido acético, ácido clorhídrico muy diluido o en una solución salina, y por lo tanto no pertenecen a ningún tipo conocido de proteína". Debido a su presencia en los núcleos, Miescher denominó al enigmático compuesto "nucleína".
Miescher estaba intrigado por las propiedades de su novedosa sustancia. Sin embargo, su primer protocolo no produjo material suficiente para realizar un análisis más detallado. Escribió: "La cantidad mínima de núcleos que puede obtenerse mediante el procedimiento descrito apenas permite las pocas reacciones mencionadas; los análisis elementales [uno de los pocos métodos disponibles para analizar sustancias novedosas en aquella época] ni siquiera podían considerarse" (Miescher, 1871d). Así pues, Miescher tuvo que desarrollar un segundo protocolo para obtener mayores cantidades de nucleína purificada.
Con su segundo protocolo, Miescher había demostrado que la nucleína no es digerida por la proteasa pepsina y determinó una vez más que podía disolver el precipitado añadiendo una base y hacer que volviera a precipitar añadiendo un exceso de ácido (Miescher, 1871d). Tras estas pruebas sobre la solubilidad y digestibilidad de la nucleína, Miescher se centró en determinar su composición y se dio cuenta de que también era diferente de las proteínas en otros aspectos.
Quemó el precipitado y confirmó la presencia de varios elementos habituales en las moléculas orgánicas -carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno- a través de las reacciones químicas que presentaban. Estas pruebas demostraron que la nucleína, a diferencia de las proteínas, carecía de azufre (Miescher, 1869a, Miescher, 1871d) pero contenía una gran cantidad de fósforo, de lo que informó por primera vez en una carta a sus padres fechada el 21 de agosto de 1869.
Basándose en sus análisis, Miescher observó que la nueva sustancia que había aislado era diferente de los tipos conocidos de proteínas (Miescher, 1869a). Continuó afirmando: "Creo que los análisis dados -por incompletos que sean- demuestran que no estamos trabajando con una mezcla aleatoria, sino... con un individuo químico o una mezcla de entidades muy estrechamente relacionadas". Para Miescher, la gran cantidad de fósforo en la nucleína era otro indicio de que no podía tratarse de una proteína ni de ninguna otra molécula conocida. Concluyó: "Estamos ante una entidad sui generis no comparable a ningún grupo conocido hasta ahora" (Miescher, 1871).
Tras estos experimentos con leucocitos, Miescher también descubrió la presencia de nucleína en las células de otros tejidos. Sospechaba que si se investigaba más a fondo, se revelaría "toda una familia de tales sustancias que contienen fósforo, que difieren ligeramente entre sí, y que esta familia de cuerpos nucleínicos demostraría ser tan importante como las proteínas".
Sin saber nada sobre el funcionamiento de la nucleína, Miescher supuso, no obstante, que desempeñaba un papel central en las células. En una carta a Wilhelm His fechada el 20 de diciembre de 1869, especulaba con que los análisis de la relación cuantitativa entre la nucleína y las proteínas en las células permitirían distinguir mejor los procesos patológicos. Por ejemplo, creía que un aumento de las "sustancias nucleares" representaba una fase preliminar a la división celular en los tejidos proliferantes, como los tumores.
Miescher completó su serie inicial de experimentos sobre la nucleína en otoño de 1869.
Para ampliar sus horizontes, decidió pasar un año en el Instituto de Fisiología de la Universidad de Leipzig (Alemania) -un instituto de gran renombre en aquella época- y dedicarse a nuevas áreas. Bajo la dirección de Carl Ludwig, quiso sobre todo mejorar sus conocimientos de las técnicas experimentales empleadas en fisiología e investigó, entre otras cosas, las vías nerviosas que transmiten las señales de dolor en la médula espinal.
En Leipzig, Miescher redactó su primera publicación científica, en la que detallaba los resultados que había obtenido al estudiar los leucocitos en el laboratorio de Hoppe-Seyler.
En una carta fechada el 23 de diciembre de 1869, dirigida a sus padres, escribió: "Sobre mi mesa yace un paquete sellado y con su dirección. Es mi manuscrito, para cuyo envío ya he tomado todas las disposiciones necesarias. Ahora lo enviaré a Hoppe-Seyler en Tubinga. Así pues, el primer paso hacia el público está dado, siempre que Hoppe-Seyler no lo rechace".
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Laboratorio de Hoppe-Seyler
Sin embargo, Hoppe-Seyler se mostró escéptico ante los resultados de Miescher y optó por repetir los experimentos por sí mismo. Finalmente, al cabo de un año se convenció.
A principios de 1871, el manuscrito se incluyó en un número de una revista publicada por el propio Hoppe-Seyler junto con un artículo de dos páginas de P. Plósz (otro alumno de Hoppe-Seyler) que demostraba la presencia de nucleína en los eritrocitos nucleados de aves y serpientes y un artículo del propio Hoppe-Seyler (1871) en el que confirma los hallazgos de Miescher sobre la nucleína, incluido su contenido inusualmente alto en fósforo.
Al igual que Miescher, Hoppe-Seyler concluye que la nucleína no se parece a ninguna otra sustancia aislada anteriormente. También excluyó la posibilidad de que fuera un mero producto de degradación del procedimiento de aislamiento, sino una sustancia nueva de su propia clase (Hoppe-Seyler, 1871).
En 1871, Miescher regresó a su ciudad natal, Basilea, y preparó su habilitación como profesor. Inspirado por su estancia con Hoppe-Seyler y su estancia en el laboratorio de Ludwig, eligió como tema la fisiología de la respiración.
Su objetivo era combinar los aspectos fisiológicos de la respiración con la anatomía comparada para estudiar la absorción de oxígeno por la sangre y la hemoglobina y el uso del oxígeno por los distintos tejidos, temas que se convertirían cada vez más en el centro de su investigación. Concluyó su habilitación con una conferencia en 1871 y al año siguiente le ofrecieron la cátedra de Fisiología de la Universidad de Basilea, un puesto que antes habían ocupado el padre de Miescher y Wilhelm His, que había aceptado un puesto en la Universidad de Leipzig.
En Basilea, Miescher reanudó sus investigaciones sobre la nucleína, que habían descansado durante su estancia en Leipzig. Sin embargo, debido a las malas condiciones de trabajo, al principio sus progresos fueron penosamente lentos. En una carta a un amigo se quejaba: "En los últimos dos años he añorado ávidamente volver a las ollas de carne del laboratorio del castillo de Tubinga, pues aquí no tenía laboratorio y (...) sólo se me toleraba en un pequeño rincón del laboratorio de química, donde apenas podía moverme....". Y continuó: "Pueden imaginarse lo que se debe sentir al verse impedido en la persecución enérgica de un esfuerzo a causa de las condiciones más miserables, sabiendo que puede que nunca vuelva a tener una oportunidad tan buena....".
No obstante, trabajó y descubrió que los espermatozoides resultaban ser un material de partida ideal para aislar grandes cantidades de nucleína muy pura.
Miescher eligió estas células debido a su composición simple, con sus cabezas formadas casi exclusivamente por un núcleo. Por fin vio la posibilidad de obtener cantidades suficientes de nucleína para realizar los exhaustivos experimentos cuantitativos que ya se había propuesto hacer en Tubinga.
La ubicación de Basilea en el río Rin, con su migración anual río arriba del salmón hacia sus zonas de desove, tenía una floreciente industria de pesca de salmón y había abundancia de salmón recién capturado a disposición de Miescher. Así, en el otoño de 1871, empezó a trabajar con el esperma de salmón y desarrolló numerosos protocolos, cada vez más sofisticados, para el aislamiento de la nucleína, lo que le permitió obtener cantidades considerables de la nucleína más pura que jamás había aislado.
Con esta nucleína repitió los análisis iniciales de la composición elemental realizados en Tubinga. Confirmó que la nucleína contenía átomos de carbono, nitrógeno e hidrógeno y que, efectivamente, carecía de azufre pero era rica en fósforo. Tras alcanzar la máxima pureza en el aislamiento de la nucleína, determinó que la proporción de P2O5 en la nucleína de salmón era del 22,5% de su masa total -una cifra muy cercana a la proporción real del 22,9%- y afirmó correctamente que todo el fósforo contenido en la nucleína está presente en forma de ácido fosfórico.
Otros análisis de la nucleína aislada del esperma confirmaron sus propiedades ácidas, demostrando que debía tratarse de un "ácido multibásico", afirmación que refinó a "ácido al menos tres básico" y finalmente a "ácido al menos cuatro básico".
Miescher también observó que la nucleína no era bien difusible y concluyó que debía tratarse de una molécula con un peso molecular elevado. Más tarde, sin embargo, Miescher determinó un peso atómico aproximado de 5-600 para la nucleína y postuló varias aproximaciones de una fórmula atómica, incluyendo las fórmulas de C22H32N6P2O16 y C29H49N9P3O22.
En la primavera de 1872, Miescher presentó sus resultados sobre los espermatozoides a la Sociedad Naturalista de Basilea. Entre las descripciones de la morfología de los espermatocitos, informó que en las cabezas de los espermatocitos de salmón, la nucleína ácida "multibásica" está unida en un estado salino a una molécula básica, que él llamó "protamina" y que juntas, la nucleína y la protamina constituyen casi toda la masa de las cabezas de los espermatozoides.
En los años 1872 y 1873, Miescher amplió sus estudios al esperma de carpas, ranas, pollos y toros, pero con menos éxito que el que había tenido anteriormente con el esperma de salmón. Sin embargo, en todos los espermatozoides examinados encontró nucleína. El informe completo de estos análisis se publicó en 1874.
Miescher debió gran parte de su éxito en el aislamiento y caracterización del ADN a la elección de las células para sus experimentos.
Tanto los leucocitos como los espermatozoides no están incrustados en un tejido o matriz extracelular, por lo que pueden purificarse fácilmente. Además, en ambos, pero especialmente en los espermatozoides, los núcleos son grandes en comparación con el citoplasma, lo que facilita un enriquecimiento de los componentes nucleares en los protocolos de purificación.
Basándose en sus resultados sobre la diferenciación de ovocitos y espermatozoides, Miescher desarrolló a lo largo de los años una serie de teorías que intentaban explicar los procesos de fecundación y la transmisión de rasgos hereditarios. Sin embargo, debido a la falta de conocimientos de la época, muchas de estas teorías eran bastante especulativas.
Desde mediados de la década de 1870, Miescher se dedicó cada vez más a investigar los cambios que se producían en el cuerpo de los salmones cuando migraban del océano a sus zonas de desove en el río Rin. Partiendo de su interés por el desarrollo de espermatozoides y ovocitos, le fascinaba sobre todo el tamaño al que crecen las gónadas del salmón a expensas de otras partes del cuerpo y realizó experimentos seminales sobre el recambio de los constituyentes corporales durante este proceso.
Además de su trabajo sobre el desarrollo de las gónadas en el salmón, Miescher continuó trabajando en la fisiología de la respiración, por ejemplo, investigando cómo cambia la composición de la sangre en función de la altitud.
A pesar de volver siempre sobre sus análisis de la nucleína y los espermatozoides, Miescher nunca más consiguió obtener resultados concluyentes sobre esta molécula. Intentó, por ejemplo, comprender su estructura química, que encontró "muy peculiar y muy diferente de la de las proteínas", sin embargo, sin volver a publicar sobre el tema ni elaborar en conferencias o cartas lo que había encontrado exactamente.
Las condiciones de trabajo de Miescher habían mejorado, pero las responsabilidades de su nuevo cargo empezaron a agobiarle, sobre todo porque se lo tomaba muy en serio. Dedicaba mucho tiempo a preparar conferencias para sus alumnos. Además, desde mediados de la década de 1870, Miescher recibió repetidos encargos para realizar encuestas sobre nutrición, una tarea engorrosa para él que desviaba gran parte de su tiempo y energía de sus objetivos de investigación.
A principios de la década de 1880, volvió a asumir un nuevo reto y fundó el primer instituto de anatomía y fisiología de Basilea, inaugurado en 1885. Miescher se tomó muy en serio su trabajo al frente del nuevo instituto. Propició un animado ambiente científico y atrajo a varios mecánicos de precisión de renombre, que -junto con Miescher- idearon instrumentos innovadores para las mediciones fisiológicas.
Sin embargo, las numerosas obligaciones de Miescher empezaron a cansarle. Su obsesión por el trabajo y su tendencia al perfeccionismo le dejaban cada vez menos tiempo para descansar. Dormía poco, apenas cumplía con sus obligaciones sociales e incluso pasaba la mayor parte de sus vacaciones en el laboratorio.
Completamente agotado, empezó a mostrar signos de depresión y también se debilitó físicamente. Finalmente, a principios de la década de 1890, contrajo tuberculosis. Como consecuencia, tuvo que abandonar su trabajo y trasladarse a una clínica de Davos, en los Alpes suizos.
Una última vez, intentó escribir un resumen de su trabajo que incluyera sus resultados inéditos sobre la nucleína, pero no tuvo fuerzas. Carl Ludwig, su antiguo mentor en Leipzig, escribió en una carta consoladora a Miescher: "Por duro que sea [tener que renunciar a trabajos/proyectos tan prometedores], tienes el consuelo de haber conseguido logros imperecederos; has hecho que el centro, el núcleo de toda la vida orgánica sea accesible al análisis químico; y por muchas veces que en el curso de los siglos venideros se estudie y examine la célula, los descendientes agradecidos te recordarán como el investigador pionero".
Friedrich Miescher murió el 26 de agosto de 1895, con sólo 51 años en Davos, Suiza.
Tras su muerte, Wilhelm His escribió en la introducción a las obras recopiladas de Miescher: "El aprecio por Miescher y su obra no disminuirá; al contrario, crecerá y sus descubrimientos y pensamientos serán semillas para un futuro fructífero". Sin embargo, ni el propio His sabía hasta qué punto sus palabras eran acertadas.
* Ralf Dahm - Developmental Biology, Volume 278, Issue 2, 15 February 2005, Pages 274-288
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