Parentiu i diversitat
Mireu d’observar les vostres mans i comparar-les amb les d’altres persones. Són extraordinàriament semblants: l’estructura òssia, la pell i les ungles segueixen en totes les mans el mateix model. I és així per a totes les parts del nostre cos; qualsevol ésser humà tindrà les mans com les nostres i, en general, estarà "fet" com nosaltres. Els altres organismes vius també són constituïts segons el model determinat de la seva espècie. Talment com si cada organisme hagués estat format seguint un "manual d’instruccions" ben precís.
Amb tot, també és cert que la nostra mà té moltes particularitats que la fan diferent de qualsevol altra mà humana, de la mateixa manera que som diferents dels altres éssers humans que han viscut abans que nosaltres, dels que ara són vius i dels que viuran en el futur. Existeix un model que, si bé es va modificant al llarg de l’evolució, és estable pel que fa a les parts essencials i, en canvi, varia en detalls més o menys nombrosos i vistosos d’un individu a un altre. Però no som diferents de tots els altres éssers humans en la mateixa mesura. Tots nosaltres, quant a l’aspecte general i els detalls, ens assemblem als nostres parents més propers, més del que ens assemblem als estranys. A mesura que disminueix el grau de parentiu, disminueixen les semblances.
La raó de totes aquestes semblances i diferències està en la manera com es generen tots els éssers vius. Hi ha molts tipus de reproducció, però des del punt de vista evolutiu la que ha tingut més èxit és la reproducció sexual, que, amb algunes variacions, ha estat adoptada per tots els organismes pluricel·lulars i molts dels unicel·lulars.
Consisteix en la unió de dues cèl·lules que originen la primera cèl·lula de l’organisme fill. Són precisament aquestes dues cèl·lules, anomenades cèl·lules sexuals o gàmetes, les que contenen el "manual d’instruccions" que determinarà el naixement i el creixement d’aquest fill. En efecte, és a partir de les cèl·lules sexuals dels pares que rebem els cromosomes que contenen la informació de la nostra estructura i el nostre funcionament. Així, dels pares heretem tant les característiques pròpies de l’espècie (o subespècie, en el nostre cas (Homo sapiens sapiens) com les característiques particulars que ens fan diferents de la resta d’éssers humans.
Naturalment, no tan sols ens distingim pels trets hereditaris. Les experiències tingudes fins i tot abans de néixer, en el moment del naixement i al llarg de tota la vida queden plasmades de diversa manera no solament en la nostra personalitat, sinó també en el nostre aspecte. A la pràctica, el conjunt dels caràcters hereditaris constitueix una potencialitat que es pot desenvolupar en una mesura i direccions diferents segons els recursos del medi, les nostres experiències i el nostre comportament al llarg de la vida.
Per posar un exemple, imagineu-vos dos bessons univitel·lins, és a dir, nascuts del mateix òvul fecundat. Tot i tenir el mateix patrimoni genètic, perquè han heretat els mateixos cromosomes, si les circumstàncies de la vida els porten a fer activitats molt dissemblants, esdevindran diferents. Si, per exemple, un d’ells fos miner i l’altre violinista, segurament el seu aspecte els faria fàcilment distingibles.
La genètica
La genètica estudia els caràcters hereditaris i la manera com es transmeten de generació en generació. Es tracta d’un camp d’investigació científica molt extens basat en els estudis fonamentals duts a terme per Gregor Mendel entre el 1850 i el 1870 (vegeu "Llavors llises i llavors rugoses"). Durant el segle XX ha avançat molt en els seus coneixements i ha contribuït d’una manera fonamental al progrés o l’aparició de diverses disciplines biològiques. Concretament, a partir de la genètica general s’ha desenvolupat la genètica humana, que estudia la transmissió dels caràcters hereditaris dels individus i els grups humans. D’aquesta branca de les ciències genètiques també ha nascut la genètica mèdica, especialitat que s’ocupa de les malalties hereditàries (genètiques) dels humans i de la seva prevenció i el seu tractament. Recordem també la genètica de poblacions, que té com a finalitat estudiar la dinàmica dels gens en una població, és a dir, com es transmeten de generació en generació en una certa població, i quins són els factors que tendeixen a modificar-ne la freqüència i a alterar, per tant, la constitució genètica global del grup. Aquests temes ens introdueixen en l’estudi de l’evolució de l’espècie, de la qual es tracta a "Vida i evolució".
Cromosomes i cariotip
Els caràcters hereditaris es troben en els cromosomes, allotjats dins el nucli de les cèl·lules que constitueixen els organismes vius. A "La cèl·lula", ja s’ha parlat de les característiques generals dels cromosomes, però repetirem algunes nocions bàsiques per a entendre el paper fonamental d’aquests orgànuls cel·lulars en els fenòmens genètics.
Totes les cèl·lules de qualsevol organisme viu que pertany a una determinada espècie tenen el mateix nombre de cromosomes, de formes idèntiques, és a dir, cadascun d’aquests organismes té la mateixa dotació cromosòmica o cariotip. La dotació cromosòmica és específica per a cada espècie i, per tant, diferent de la de les altres espècies vives. En la majoria dels organismes, els cromosomes s’associen per parells. Els cromosomes de cada parell, anomenats homòlegs, provenen del pare i de la mare respectivament. Les cèl·lules d’aquesta mena s’anomenen diploides i se simbolitzen per 2 n.
En l’espècie humana totes les cèl·lules tenen 46 cromosomes, és a dir, 23 parells de cromosomes homòlegs: 22 parells formats per cromosomes idèntics quant a la forma i un parell, el que fa 23, constituït en la dona per dos cromosomes iguals en forma de X i en l’home per un cromosoma en forma de X i un altre en forma de Y, anomenats precisament cromosomes X i Y. No seria exacte, però, dir que totes les cèl·lules són diploides; les cèl·lules sexuals o gàmetes (els espermatozoides del mascle i els òvuls de la femella) tenen tan sols 23 cromosomes, és a dir, la meitat que les altres cèl·lules, i s’anomenen haploides (aquest tipus de cèl·lules es representen amb el símbol n).
Les "instruccions" relatives als caràcters hereditaris són transmeses d’una generació a la següent justament per mitjà dels cromosomes o, més ben dit, a través de la llarga molècula de DNA (de la qual es parla àmpliament a "La cèl·lula") que contenen. Les instruccions es donen en "llenguatge químic", és a dir, a cada caràcter li correspon un segment de DNA caracteritzat per una seqüència precisa de nucleòtids. El segment de DNA relacionat amb un caràcter determinat s’anomena gen.
Per convenció es fa servir la mateixa numeració per als cromosomes que porten instruccions de caràcters que es corresponen; en tots els éssers humans el cromosoma "1" determina els mateixos caràcters, igual que el 2, el 3, etc.
Si ens imaginem el conjunt dels cromosomes com un llibret d’instruccions, podem dir que cada persona té un llibret de 23 capítols, cadascun dels quals subdividit en apartats ben precisos. En el capítol 18, per posar un exemple no real, hi podria haver l’apartat relatiu al color dels ulls. Això significa que en aquest punt el llibret inclou les instruccions relatives a aquest caràcter concret; però el contingut de l’apartat pot variar d’un individu a un altre. Efectivament, les "instruccions" poden determinar la formació d’un iris de color blau, de color marró, etc. Els capítols són els cromosomes (per parells), i els apartats són els gens. Així doncs, el llibret d’instruccions de cada individu té el mateix nombre de capítols, cadascun dels quals inclou els mateixos apartats, però és "personalitzat" quant al contingut d’aquests darrers.
Teòricament es poden establir mapes cromosòmics, és a dir, determinar quins caràcters es troben en un cromosoma concret i quina és la seva posició en el DNA (seguint amb la comparació del llibre d’instruccions, en quin capítol i l’ordre que segueixen en cada pàgina). En realitat, establir el mapa genètic humà és una tasca molt complexa, tant, que fins ara tan sols s’ha localitzat una part petita dels nostres gens. És més fàcil d’entendre si pensem que amb el DNA d’una persona, uns tres mil milions de nucleòtids, es podrien donar unes quantes voltes a la Terra (vegeu "Projecte Genoma Humà").
Mascle o femella?
Si en la fecundació intervé un espermatozoide portador del cromosoma Y, el zigot serà masculí perquè tindrà la dotació XY, mentre que si és portador del cromosoma X, el zigot serà femení, perquè tindrà la dotació XX.
ECSA
En la major part dels organismes superiors, el sexe és determinat genèticament, i la determinació és assegurada per una diferència cromosòmica. Considerem el cas de la Drosophila o mosca del vinagre, un insecte sovint utilitzat als laboratoris en els estudis de genètica. La rapidesa del seu cicle biològic permet examinar-ne nombroses generacions en poc temps. La femella de Drosophila té quatre parells de cromosomes. El mascle també té vuit cromosomes, però mentre que tres parells són idèntics als de la femella, l’últim parell és compost per un cromosoma anomenat X, igual que el de la femella, i un cromosoma anomenat Y, propi del sexe masculí. Quan, com passa en la Drosophila, el mascle té un parell de cromosomes diferents entre ells es diu que el masculí és el sexe heterògam. En efecte, en el moment de la formació dels gàmetes, en aquest sexe la meiosi formarà dos tipus de gàmetes, uns amb el cromosoma X i uns altres amb el cromosoma Y. La femella, en canvi, formarà gàmetes iguals en els quals el cromosoma X sempre serà present. La majoria dels insectes i molts dels vertebrats, entre els quals s’inclouen els humans, es comporten com la Drosophila. En canvi, els ocells, entre els vertebrats, i les papallones, entre els insectes, tenen com a sexe heterògam el femení.
El fet de tenir un parell de cromosomes asimètric proporciona als organismes un sistema molt simple per a mantenir la igualtat de sexes de generació en generació.
En l’espècie humana, les cèl·lules de les dones tenen 22 parells de cromosomes homòlegs (autosomes, A) i un parell de cromosomes X (cariotip: 44A + XX). Les cèl·lules dels homes tenen 22 parells de cromosomes homòlegs a més d’un cromosoma X i un cromosoma Y (cariotip: 44A + XY). És aquesta diferència entre els cromosomes el que determina el fet de ser homes o dones: el cromosoma Y és indispensable perquè apareguin els caràcters masculins. Quan es formin els gàmetes, tots els òvuls contindran 22 autosomes més un cromosoma X, mentre una meitat dels espermatozoides tindran 22 autosomes més un cromosoma X i l’altra meitat 22 autosomes més un cromosoma Y. La fecundació pot ser causada per un espermatozoide portador del cromosoma X o portador del cromosoma Y. En el primer cas el zigot serà XX i naixerà una nena, i en el segon cas el zigot serà XY i naixerà un nen: les probabilitats de cada cas són del 50%.
Dues cèl·lules per a una vida: els gàmetes
Quan la cèl·lula es divideix, el DNA es duplica i cada cromosoma adopta una forma de lletra H, perquè queda constituït per dues cromàtides unides pel centròmer. En aquesta forma, el cromosoma s'escurça i s'eixampla i pot prendre diferents aspectes, segons la longitud dels braços, que poden ser iguals, quan el centròmer és situat exactament a la meitat, o diferents, com en el de l'esquema.
ECSA
Pel que hem dit abans, sabem que les cèl·lules sexuals (gàmetes) són cèl·lules un xic especials, principalment perquè tenen una dotació cromosòmica haploide, és a dir, constituïda per la meitat dels cromosomes que les altres cèl·lules. Així, els gàmetes dels éssers humans tenen 23 cromosomes en comptes de 46. Ara bé, la resta dels organismes vius que es reprodueixen sexualment també tenen gàmetes haploides. Un cop produïda la fecundació de l’òvul per part de l’espermatozoide, el zigot, primera cèl·lula del nou organisme generat, té el nombre exacte de cromosomes de l’espècie: en l’espècie humana, 23 provenen de l’òvul i 23 de l’espermatozoide. D’aquesta manera, el "llibret d’instruccions" conté dues versions de cada capítol, amb instruccions per duplicat per a cada caràcter, la meitat procedent del pare i l’altra meitat de la mare, i no necessàriament concordants.
D’aquesta primera cèl·lula s’originen per divisions successives totes les altres cèl·lules del cos, cadascuna de les quals amb 46 cromosomes, tots duplicats exactes dels primers 46 cromosomes de l’òvul fecundat. La informació continguda en aquests cromosomes determina l’estructura i el funcionament de cada cèl·lula i de l’organisme. Així, els fills s’assemblen una mica al pare i una mica a la mare. A més, com que els cromosomes dels pares provenen dels avis, els dels avis dels besavis i així successivament, alguns caràcters ens apropen fins i tot a parents llunyans. Aquest fet també explica que determinats pobles tinguin característiques pròpies, o que certs aspectes siguin més freqüents (els cabells negres, per exemple, o la pell clara). Això es dóna més com menys barreges i encreuaments amb altres pobles diferents hagi patit una població, que, per tant, estarà formada per persones genèticament més properes.
La formació dels gàmetes: la meiosi
Per la meiosi, cada cèl·lula diploide es divideix en dues d'haploides. A partir de la cromatina del nucli (1) cada cromosoma es condensa després de duplicar-se (2) i manté les dues parts idèntiques unides pel cinetòcor. Es produeix l'aparellament entre cromosomes homòlegs (3) i l'entrecreuament (4), arran del qual els cromosomes deixen de ser completament paterns o materns perquè una de les seves cromàtides queda formada per segments alternants provinents del pare i de la mare. A continuació cada homòleg es desplaça cap a un pol oposat de la cèl·lula (6). El procés que segueix és semblant a la mitosi: a cada una de les dues cèl·lules filles, els centròmers es divideixen i les cromàtides se separen (7) i es dirigeixen als pols oposats (8). A continuació té lloc la divisió del citoplasma o citocinesi (9) i la desaparició dels cromosomes en forma de cromatina.
ECSA
Cada cèl·lula es reprodueix transmetent a les cèl·lules filles, en el procés de la mitosi (descrit a "La cèl·lula"), el seu patrimoni genètic, idèntic pel que fa a la forma i el nombre de cromosomes. Podem examinar els cromosomes de qualsevol cèl·lula del nostre cos i els trobarem idèntics. No passa el mateix, però, en la divisió cel·lular que porta a la formació dels gàmetes i que rep el nom de meiosi.
La meiosi comporta dues fases successives de divisió cel·lular. En la primera divisió de la cèl·lula diploide, se n’originen dues d’haploides. Aquesta primera part de la meiosi s’anomena "reduccional". En la segona divisió, de cada cèl·lula amb n cromosomes se n’originen dues d’idèntiques. Aquesta segona part de la meiosi s’anomena "equacional". El resultat de la meiosi és, per tant, la formació a partir d’una cèl·lula mare de quatre cèl·lules haploides, que després es diferencien en òvuls i espermatozoides.
Com s’ha vist, els cromosomes de les cèl·lules són parells de cromosomes homòlegs. Cada homòleg és indistingible de l’altre quant a la forma i conté la informació per als mateixos caràcters disposada de la mateixa manera. El seu DNA és, però, diferent perquè l’un prové del pare i l’altre de la mare. Durant la primera divisió meiòtica els cromosomes homòlegs s’apropen, de manera que els segments corresponents, és a dir, els que determinen el mateix caràcter, queden en contacte. Durant la divisió cel·lular cadascun dels cromosomes apareix constituït per dos filaments anomenats cromàtides; per tant, en aquest cas s’obtindran quatre cromàtides associades en estructures anomenades tètrades.
En aquest moment es produeix un fenomen molt rellevant: les cromàtides aparellades dels cromosomes homòlegs poden intercanviar un nombre variable de seccions de DNA entre si. Aquest fenomen és anomenat entrecreuament (crossing-over). No s’ha perdut cap secció de DNA i cada un dels cromosomes conserva la mateixa quantitat de material genètic, tot i que de qualitat diferent. Tornant a l’exemple del "llibret d’instruccions", els capítols (cromosomes) han romàs intactes, amb tots els seus apartats (gens), però el contingut d’alguns d’aquests ha estat substituït i ara la seva informació és diferent.
Per a entendre millor de quina manera es produeix l’entrecreuament ens hem d’imaginar les cromàtides com collarets de perles de diferent forma i color. Les perletes són els gens, és a dir, les parts que determinen una caràcter concret. Les perles situades en el mateix lloc determinen el mateix caràcter, però si el color és diferent donen informació diferent per a aquest mateix caràcter. Imaginem-nos, per exemple, que la sisena perla d’un collaret sigui responsable del grup sanguini i que el seu color diferent determini el grup A, B o 0. En l’entrecreuament o crossing-over, els dos collarets (cromàtides) homòlegs poden intercanviar-se perletes (gens); cadascun dels collarets conservarà el mateix aspecte general, amb el mateix nombre de perles d’igual forma i seguint el mateix ordre, però amb una nova combinació dels colors. En altres paraules, cada cromàtide conserva la mateixa seqüència ordenada de gens, però alguns d’aquests gens ara determinen d’una manera diferent el caràcter del qual són portadors. Així, per exemple, pot ser que, després de l’entrecreuament, una cromàtide que abans era portadora del gen per al caràcter "grup sanguini B" sigui portadora del gen per al caràcter "grup sanguini A".
Com que a cada collaret (cromàtide) el nombre de perletes (gens) és molt gran, el nombre de collarets que es poden confeccionar combinant de distinta manera els colors (qualitat dels caràcters hereditaris) és elevadíssim. Aquests intercanvis que resulten de l’entrecreuament augmenten enormement la variació dels caràcters transmesos als fills.
Al final de la primera divisió meiòtica els dos cromosomes homòlegs, cadascun dels quals constituït per dues cromàtides, se separen i migren als pols oposats de la cèl·lula, que finalment es divideix en les dues cèl·lules filles haploides.
La segona divisió meiòtica, d’una manera molt semblant a la mitosi, produeix quatre cèl·lules haploides en les quals els cromosomes tan sols tenen una cromàtide. Aquestes cèl·lules esdevindran els espermatozoides de l’home i els òvuls de la dona.
Una reflexió sobre el complex procés de la meiosi que acabem d’explicar, ens pot fer entendre la infinita varietat dels éssers vius, també entre els que pertanyen a la mateixa espècie. Quants tipus diferents d’òvuls pot produir una dona? Tenint en compte que durant la meiosi els cromosomes homòlegs se separen independentment, hi ha 223 tipus d’òvuls possibles, és a dir, 8 388 608 òvuls. Amb els espermatozoides passa el mateix. Per tant, en la fecundació, qualsevol d’aquests 8 388 608 òvuls possibles pot ser fecundat per qualsevol dels 8 388 608 espermatozoides. Aquestes xifres no tenen en compte l’entrecreuament ni les possibles modificacions de la cadena de DNA (mutacions, qüestió de la qual tractarem a "Errors de transcripció i mutacions"), factors que també contribueixen a la gran varietat d’individus existent.
Genotip i fenotip
L'albinisme i el colors dels ulls són caràcters regulats per un gen únic que presenta dues formes al·lèliques. En el cas del color dels ulls, el color blau només es manifesta quan la persona té els dos al·lels "ulls blaus", l'un procedent del pare i l'altre de la mare.
ECSA
Anteriorment ja hem dit que es pot considerar "gen" aquell segment del DNA que és responsable de la transmissió d’un caràcter concret. Els gens d’un caràcter determinat sempre es disposen en el mateix cromosoma, i sempre en el mateix lloc (o locus), que és idèntic per a totes les cèl·lules de tots els éssers humans. Tenim dos gens per a cada caràcter, un en el cromosoma provinent del pare i l’altre en el seu homòleg, provinent de la mare. Els loci dels cromosomes homòlegs tenen exactament la mateixa posició i durant la meiosi es complementen.
Els gens que determinen el mateix caràcter de maneres diferents (per exemple, iris marró-iris blau) s’anomenen al·lels. Si un individu té els al·lels d’un caràcter iguals es diu que és homozigot per a aquest caràcter. En el cas del color dels ulls, és homozigot una persona que tingui iguals els al·lels que determinen aquest caràcter. Podrà tenir, per exemple, el parell d’al·lels blau-blau en el cas que hagi heretat el caràcter "ulls blaus" del pare o bé de la mare. En canvi, si els al·lels són diferents (per exemple blau-marró), es diu que la persona és heterozigot pel que fa al caràcter "color dels ulls".
El conjunt dels nostres gens constitueix el nostre genotip. Allò que som, és a dir, el nostre aspecte, és el nostre fenotip: representa la manifestació de la informació continguda en el conjunt dels nostres gens. La correspondència entre el genotip i el fenotip no és senzilla: no tots els gens es manifesten, ni tots els que es manifesten ho fan d’una manera lineal. El fenotip, a més, és influït per l’ambient.
Posem-ne un exemple. Si una persona és heterozigòtica per al caràcter "color dels ulls" amb els al·lels blau-marró, de quin color tindrà l’iris? De color marró. Efectivament, la informació de l’al·lel "ulls marrons" es tradueix en un caràcter del fenotip de l’individu, mentre que la de l’al·lel "ulls blaus", tot i que és present en el genotip, en aquest cas no es manifesta. Es diu que l’al·lel "ulls marrons" és dominant respecte de l’al·lel "ulls blaus"; l’al·lel que queda amagat és recessiu. L’al·lel recessiu tan sols es manifesta en el fenotip quan la persona és homozigòtica per a aquest caràcter. Les persones amb els ulls blaus manifesten aquest caràcter perquè tenen el parell d’al·lels blau-blau. Els al·lels dominants, per convenció, es representen amb una lletra majúscula i els recessius amb la mateixa lletra minúscula. Seguint amb l’exemple del color dels ulls, anomenem a l’al·lel recessiu "ulls blaus" i A el dominant "ulls marrons"; com es pot veure a l’esquema —de dalt—, hi pot haver quatre combinacions, una de les quals té com a resultat els ulls blaus i tres els ulls marrons.
Dos progenitors amb els ulls marrons poden tenir un fill amb els ulls blaus. Com és possible això? Considerem una dona i un home tots dos heterozigots (Aa). Tenen els ulls marrons, però l’al·lel "ulls blaus" (a) no ha desaparegut; és al seu lloc, en el cromosoma homòleg del que porta l’al·lel ulls marrons (A). Durant la meiosi, els cromosomes homòlegs es dirigeixen a gàmetes diferents. Així, la meitat dels espermatozoides de l’home i la meitat dels òvuls de la dona contindran l’al·lel A i l’altra meitat l’al·lel a. D’aquesta manera, si un espermatozoide amb l’al·lel a fecunda un òvul amb l’al·lel a, el fill serà aa i tindrà els ulls blaus.
Ara bé, no tots els al·lels es comporten com a dominants o com a recessius. En els heterozigots, hi ha casos en què ambdós al·lels aconsegueixen expressar el seu missatge, que es fon en un fenotip intermedi.
La qüestió, però, es complica a causa d’altres factors: no tots els caràcters hereditaris són determinats per un sol gen. Per exemple, l’alçada, la forma del nas i el color de la pell no presenten alternatives clares com el color dels ulls. Aquests caràcters són determinats per diversos gens. L’alçada, per exemple, depèn de l’estructura òssia, del metabolisme de les sals minerals, de les hormones, etc., a banda dels factors ambientals, no hereditaris. A més, alguns gens influeixen en més d’un caràcter i d’altres poden quedar latents i tan sols manifestar-se en determinades condicions ambientals. En aquests casos, l’herència dels caràcters és més complexa que l’explicada per al color dels ulls.
Errors de transcripció i mutacions
Si el DNA contingut en un cromosoma pateix una variació, aleshores es parla de mutació; és a dir, un o més caràcters resulten alterats. Una mutació es pot referir a qualsevol cèl·lula del cos, però només és hereditària si afecta els gàmetes, i en aquest cas el nou caràcter serà transmès als fills. La consolidació d’un gen mutat en el patrimoni genètic dels organismes dependrà dels avantatges que aquest nou caràcter ofereixi. En realitat les mutacions, que són casuals, poden ser incompatibles amb la vida, negatives, indiferents o, rarament, positives. Les mutacions positives, encara que rares, són fonamentals per a l’evolució dels éssers vius i per a la formació de noves espècies. Són més aviat escassos els coneixements de què es disposa sobre les mutacions. S’ha constatat que alguns gens muten més sovint que d’altres, els quals, per tant, són més estables. Les mutacions es poden produir espontàniament, per errors de duplicació del DNA cel·lular, o per la inducció d’agents físics i químics, que per aquest motiu s’anomenen mutàgens. Entre els agents mutàgens més coneguts hi ha: la temperatura elevada a què es troben els gàmetes, nombroses substàncies químiques naturals o sintetitzades per a ser emprades com a insecticides (el DDT, per exemple), plaguicides o additius alimentaris i les radiacions ionitzants (raigs X, raigs gamma i raigs ultraviolats). Una de les conseqüències de la radioactivitat és precisament que indueix mutacions en les cèl·lules. Es tracta de cèl·lules somàtiques, que poden degenerar i originar tumors (per tant, un agent mutagen pot ser cancerigen). Si les cèl·lules sexuals són afectades, els fills poden néixer amb malformacions o patologies també molt greus.
També hi pot haver altres mutacions del patrimoni genètic que no tan sols afecten seccions petites de la molècula de DNA, sinó el cromosoma sencer. En aquests casos es parla d’aberracions cromosòmiques. Durant l’entrecreuament es poden produir transferències errònies, pèrdues de seccions del cromosoma, o bé duplicacions de més dels cromosomes (poliploïdia: en els animals és letal; a vegades es dóna entre els vegetals). O també hi pot haver una migració anòmala dels cromosomes homòlegs durant la meiosi, com el cas, per exemple, d’un parell de cromosomes que es dirigeix tot sencer cap a una de les cèl·lules filles mentre que l’altra resulta mancada d’aquest cromosoma. D’aquesta manera s’obtenen gàmetes que, en comptes de tenir 23 cromosomes, tenen 24 i 22 cromosomes respectivament. Quan aquests gàmetes seran fecundats per gàmetes normals s’obtindran dotacions diploides anòmales (aneuploides). Per exemple, es pot obtenir una dotació de 47 cromosomes en què la parella d’homòlegs contingui un cromosoma per triplicat (trisomia), en comptes de per duplicat.
Les lleis de Mendel
En el cas del monohibrisme, s'estudia un sol caràcter per al qual dues varietats es diferencien en un sol parell d'al·lels. En el caràcter obtingut per herència intermèdia, en la segona generació s'obtenen flors iguals que les del pare, flors iguals que les de la mare i el doble de flors barrejades.
ECSA
Els primers estudis de genètica es remunten a la meitat del segle XIX. Aleshores no se sabia gaire sobre l’organització interna de les cèl·lules i s’ignorava la funció del nucli cel·lular i dels cromosomes. Els resultats dels experiments de Gregor Mendel, tot i que foren presentats el 1865, van ser ignorats fins el 1900, any en què altres científics van fer els mateixos descobriments. Hugo de Vries en va formular les lleis resultants i les va atribuir a Mendel, el qual és considerat el fundador de la genètica. Al cap de poc temps, altres científics van reconèixer que les lleis de Mendel, establertes a partir dels experiments amb vegetals, també es complien en els animals (i consegüentment en l’espècie humana). Vegem quines són aquestes tres lleis.
La primera llei de Mendel (de la uniformitat) afirma que en l’encreuament de dos individus de línia pura (o homozigots, tal com es diu actualment) que difereixin per un caràcter, tots els fills presenten aquest caràcter idèntic. El 100% de la descendència són iguals entre si. Iguals al dominant si hi ha dominància i intermedi si no n’hi ha. No tots els caràcters es comporten d’una manera tan clara per a poder definir un factor dominant i un de recessiu. Molts caràcters manifesten un resultat intermedi. Per exemple, encreuant flors de nit pures per al caràcter "corol·la vermella" amb flors de nit pures per al caràcter "corol·la blanca", s’obté una primera generació d’híbrids rosa.
Segons la segona llei de Mendel (de la segregació gènica), en l’encreuament dels híbrids (heterozigots, segons la terminologia actual) els factors que determinen un caràcter se separen quan es formen els gàmetes. D’aquesta manera, a la segona generació d’híbrids torna a aparèixer el factor recessiu, en un percentatge del 25% en el cas de dominància. Pel que fa a la segregació dels caràcters, els híbrids de la segona generació de la flor de nit tindran el 25% de les flors vermelles, el 50% de roses i l’altre 25% de blanques.
La tercera llei de Mendel (de la independència dels caràcters) assegura que, en l’encreuament de dos individus de línia pura que difereixin en més d’un caràcter, els parells de factors que determinen els diversos caràcters es comporten independentment els uns dels altres. La llei de la independència dels caràcters tan sols és vàlida quan els gens examinats es troben en cromosomes diferents. Si fossin en el mateix cromosoma, mai no podrien ser transmesos de forma independent l’un de l’altre, llevat que intervingués l’entrecreuament per a separar-los. Si es considera el cas més senzill, dos únics caràcters i els dos gens responsables, situats en el mateix cromosoma, tan sols esdevenen independents quan l’intercanvi entre els dos cromosomes homòlegs es refereix precisament a un dels dos gens considerats i no a l’altre. Això s’esdevé més fàcilment com més allunyats es trobin els dos gens en la cromàtide.
Llavors llises i llavors rugoses
En el cas de l'herència amb dominància, en la segona generació només apareixeran pèsols rugosos quan coincideixin els dos al·lels recessius, mentre que la resta de combinacions manifestaran el caràcter dominant i els pèsols seran llisos.
ECSA
Monjo en un convent de Moràvia, Gregor Mendel havia estudiat ciències naturals, química, física i matemàtiques. Entre el 1857 i el 1868 es va dedicar a cultivar pèsols a l’hort del convent per fer experiments d’hibridació. Va estudiar la transmissió dels caràcters en milers de plantes, aplicant per primera vegada mètodes matemàtics a les ciències naturals. En una primera etapa va estudiar la transmissió d’un sol caràcter, i posteriorment es va interessar en la transmissió de dos o més caràcters.
En els experiments amb dihíbrids s'estudia alhora l'herència de dos caràcters, cadascun dels quals és regulat per un gen que presenta dues formes al·lèliques i amb relació de dominància. En els experiments del Mendel, els caràcters estudiats eren pèsols de color groc (dominant) o verd i de pell llisa (dominant) o rugosa. Les pesoleres de la primera generació fabriquen òvuls i pol·len de quatre menes diferents quant als dos caràcters estudiats, i les diferents combinacions que es produeixen en la segona generació demostren la independència dels caràcters.
ECSA
Mendel dirigia l’encreuament de les flors, seleccionant-les segons el caràcter que examinava. Les flors del pèsol tenen pistil, femení, i estams, masculins, i normalment, la fecundació té lloc a l’interior de la mateixa flor. Per impedir l’autofecundació, Mendel extreia els estams de la flor, que després tapava amb una bosseta. A continuació, agafava el pol·len d’una altra flor escollida expressament i el dipositava en el pistil de la primera. Així podia estudiar la transmissió dels caràcters que li interessaven. Amb aquest procediment Mendel va encreuar plantes que des de feia moltes generacions només donaven llavors llises amb plantes que des de feia moltes generacions només donaven llavors rugoses. Va anomenar P els primers individus, purs per al caràcter relatiu a la "superfície de les llavors". Tots els fills d’aquest encreuament tenien les llavors llises. Va anomenar aquesta generació F1 (primera generació d’híbrids). El caràcter "llavor llisa" es va considerar dominant, perquè havia prevalgut sobre el caràcter "llavor rugosa", recessiu, que semblava desaparegut (aquests termes són encara vigents). Després, encreuant els pèsols F1, va constatar que el caràcter "llavor rugosa" no havia desaparegut, sinó que només havia quedat "ocult". En efecte, tres quartes parts dels pèsols F2 (segona generació d’híbrids) eren llisos, i la quarta part restant, rugosos. Encreuant entre ells els pèsols F2, Mendel va descobrir que el 25% eren purs de llavor llisa, el 25% purs de llavor rugosa i el 50% híbrids de llavor llisa. Mendel va explicar els resultats obtinguts segons la hipòtesi que cada caràcter era determinat per dos factors (avui anomenats gens o, millor, al·lels), un d’origen matern i l’altre d’origen patern, que va indicar amb la lletra majúscula L en el cas del factor dominant i amb la mateixa lletra en minúscula l en el cas del factor recessiu. Mendel va pensar que aquests factors se separaven en formar-se els gàmetes.
Després d’estudiar l’herència d’un sol caràcter, Mendel va sotmetre a examen el comportament hereditari de diversos caràcters, i va arribar a la conclusió que es comportaven de forma independent. Des de Mendel, la genètica ha avançat molt, amb el suport dels progressos en l’estudi de la cèl·lula, del cromosoma, dels àcids nucleics, etc. Això no obstant, les lleis de Mendel encara són en bona part vàlides; de fet, regeixen la transmissió de molts caràcters. D’altres, en canvi, es comporten d’una manera més complexa.
Les malalties genètiques
Moltes malalties humanes semblen influïdes d’alguna manera pel patrimoni hereditari. Les diferències genètiques expliquen, entre altres coses, per què cada individu té una resposta pròpia davant les condicions ambientals capaces de provocar malalties. Per tant, aquestes malalties són el resultat d’una complexa interacció entre la constitució genètica individual i el medi. Tot i això, hi ha determinades afeccions que tenen una base, si no exclusivament, fonamentalment genètica que fa del tot irrellevant la influència ambiental. Les malalties genètiques són el resultat d’una modificació estable i heretable del patrimoni genètic a l’interior dels cromosomes (aberracions cromosòmiques) o dels gens (mutacions).
Les malalties genètiques se solen classificar en tres grans categories: 1) malalties d’aberracions cromosòmiques, causades per la manca i l’excés de cromosomes o per les alteracions de l’estructura d’un o més cromosomes; 2) malalties mendelianes, determinades per mutacions d’un sol gen i que es transmeten segons les lleis de Mendel, i 3) malalties multifactorials, originades per una complexa interacció entre els factors genètics i els ambientals. Aturem-nos breument en algunes de les malalties més conegudes i esteses, de les quals se sap del cert que són degudes a causes genètiques.
L'anèmia mediterrània
L’anèmia mediterrània (o talassèmia) és una malaltia greu que rep aquest nom perquè és molt difosa a la conca mediterrània. Les persones afectades presenten una alteració dels glòbuls vermells que comporta un transport deficient de l’oxigen de la sang. Els malalts necessiten contínues transfusions sanguínies per a poder disposar de glòbuls vermells normals. Aquesta anomalia dels glòbuls vermells és causada per una modificació de la seqüència d’aminoàcids que formen la part proteica de l’hemoglobina (que és justament l’encarregada de transportar l’oxigen), seqüència que és determinada per un gen.
L’al·lel que serveix per a formar l’hemoglobina sana és dominant, i es pot simbolitzar amb la lletra H. L’al·lel de l’anèmia és recessiu, i es representa mitjançant una e. Un individu malalt és homozigot ee, i està sa quan té instruccions EE. Si és heterozigot Ee es tracta d’un individu sa, però és portador de l’al·lel e i els seus glòbuls vermells són una mica més petits del normal. La possibilitat de reconèixer les situacions heterozigòtiques, de portador sa, a través d’anàlisis de sang, permet valorar el risc de transmetre la malaltia a la descendència. Dos individus Ee, és a dir, portadors sans, tenen el 25% de probabilitats que els neixi un fill malalt.
Malalties hereditàries lligades al sexe
El daltonisme és la incapacitat que tenen algunes persones per a determinar o diferenciar certs colors, causada per una alteració constitucional hereditària responsable de la mancança de les cèl·lules sensorials oculars capaces de distingir-los, els anomenats cons retinals. Aquest trastorn afecta aproximadament un 7% dels homes i només un 1% de les dones. Aquesta diferència és motivada pel fet que el gen del daltonisme se situa en el cromosoma X i perquè sortosament, el caràcter és recessiu i no dominant.
ECSA
Algunes malalties, o anomalies, es comporten segons les lleis de Mendel, però es transmeten d’una manera especial, perquè el gen que les determina és localitzat en els cromosomes sexuals. Com que els cromosomes sexuals X i Y són morfològicament i estructuralment diferents, molts al·lels no s’hi corresponen, ja que tan sols són presents en un cromosoma o en l’altre, cosa que influeix en la transmissió dels caràcters que determinen i la seva aparició en la descendència.
El daltonisme, que provoca la incapacitat de distingir el vermell del verd (colors que es veuen grisos), és molt rar en les dones, però és força freqüent en els homes. Vegem-ne el perquè.
El gen del daltonisme és recessiu i és en el cromosoma X; per tant, una dona només pot ser daltònica si és homozigota, és a dir, si té l’al·lel del daltonisme (v) a tots dos cromosomes X. Si és heterozigota, com que en un dels dos cromosomes X hi porta el gen de la visió normal (V), que és dominant, no manifesta el defecte de la visió. En tractar-se d’un gen present en la població humana en un percentatge baix, la probabilitat que es trobi en condició homozigòtica és més aviat reduïda; per això el daltonisme és rar en les dones. En canvi, en els homes, n’hi ha prou que s’hereti el cromosoma X amb el gen recessiu del daltonisme.
L’hemofília, malaltia molt greu que consisteix en un trastorn de la coagulació de la sang, té un comportament hereditari del tot anàleg. El gen de l’hemofília és en el cromosoma X. Per tant, les dones el poden transmetre com a portadores sanes (heterozigotes) als fills mascles. Entre els casos històricament més famosos hi ha el de la reina Victòria d’Anglaterra, la qual, portadora sana, va transmetre la malaltia al seu fill i a tres néts i, a través dels casaments dels seus descendents, a altres famílies reials europees.
Quan els cromosomes no són 46
Algunes situacions patològiques humanes han estat vinculades a anomalies del nombre de cromosomes (aneuploïdia). La síndrome de Down (o mongolisme) és una malaltia greu força estesa (aproximadament una de cada 700 persones) que afecta per igual homes i dones. Els individus que la pateixen tenen un desenvolupament mental retardat, els ulls ametllats, la llengua gruixuda i enfora, una dèbil estructura òssia i muscular i, en general, moren joves. La causa és l’existència de 47 cromosomes: en comptes de tenir dos cromosomes 21 (cada cromosoma humà està numerat i la seva forma i les seves característiques són fixes per a tots els éssers humans), en tenen tres. Per això es parla de la trisomia 21. El risc de tenir fills afectats per la síndrome de Down és més freqüent en les dones que pareixen en edat avançada.
Una altra malaltia provocada pel fet de tenir 47 cromosomes és la síndrome de Klinefelter, originada per la presència de dos cromosomes X i un cromosoma Y. Els individus amb cariotip 44A (autosomes) + XXY són mascles que tenen els òrgans sexuals poc desenvolupats, són estèrils, alts, prims, i sovint amb retards mentals. En canvi, les persones afectades per la síndrome de Turner tenen un cromosoma sexual menys i un cariotip 44A (autosomes) + X. Són totes dones, d’estatura curta, amb els òrgans reproductors poc desenvolupats i són estèrils.
Aquestes greus malalties causades per anomalies del cariotip són detectables a partir del quart mes de gestació, per mitjà de la punció del líquid amniòtic (amniocentesi) o de les vellositats del cori de la placenta i la consegüent anàlisi dels cromosomes de les cèl·lules fetals. Aquest diagnòstic prematur permet avaluar les possibilitats de prosseguir l’embaràs quan l’estudi del cariotip confirma la presència d’una anomalia que comportaria una clara i greu minusvalidesa per al fill.
Es pot intervenir sobre els gens?
Els coneixements adquirits sobre les estructures i els mecanismes implicats en la transmissió dels caràcters hereditaris han proporcionat als humans la possibilitat, d’intervenir d’una manera programada sobre els caràcters hereditaris per a obtenir resultats que responguin a exigències diverses.
La programació de l'herència
Des que l’home, en un passat molt remot, va emprendre la domesticació d’alguns animals i el conreu d’algunes espècies de plantes, ha dut a terme processos de selecció artificial, tot afavorint els caràcters que es consideraven millors. Així s’han creat nombroses races i varietats portadores de caràcters diversos que responen a exigències econòmiques o estètiques. Inicialment, la selecció es realitzava de manera gairebé inconscient, suprimint els individus que tenien caràcters menys favorables i facilitant la reproducció dels que presentaven caràcters millors. Posteriorment, durant els segles XVIII i XIX, la feina del ramader i de l’agricultor es va inspirar en criteris empírics que introduïen els conceptes de pura sang, mitja sang, etc., els arbres genealògics (pedigrís) i els registres dels criadors corresponents (stud-books), en particular per als cavalls, però després també per als bovins, els súids, els gossos, etc. En el camp de l’agricultura es van fundar tallers per a la reproducció de llavors seleccionades, especialment de cereals. Després del redescobriment de les lleis de Mendel, la genètica va proporcionar els fonaments per a l’elaboració de mètodes més racionals que permetessin millorar les races i les varietats existents d’animals i plantes, i també crear-ne de noves que responguessin a exigències diverses. Efectivament, el coneixement dels mecanismes de la transmissió dels caràcters permet preveure amb major seguretat la probabilitat d’aparició i de conservació dels caràcters en els descendents, cosa que evita els intents inútils, accelera els temps de selecció i millora els resultats obtinguts, amb avantatges econòmics indubtables. Això suposa importants aportacions a l’economia de la societat moderna. Només cal recordar, per posar un exemple, l’híbrid del blat de moro obtingut als Estats Units, que té un rendiment excepcional. Amb els mètodes clàssics de l’encreuament entre individus de raça o varietats diferents, dins de la mateixa espècie, i intentant mantenir les mutacions positives, aparegudes espontàniament o induïdes artificialment, s’ha pogut obtenir i s’obté una selecció artificial progressiva, entesa com la millora genètica de les races d’animals domèstics i de les varietats de les plantes conreades. També s’obtenen resultats notables, en l’agricultura i la floricultura, amb la hibridació entre individus d’espècies diferents.
Recorrent a la reproducció sexual, es poden mantenir les característiques positives escollint els millors reproductors. En zootècnia, amb el semen dels mascles considerats exemplars de gran valor, es poden fecundar moltes femelles per mitjà de la fecundació artificial, fins i tot de granges situades lluny d’on hi ha els sementals. No obstant això, la recombinació genètica pròpia de la reproducció sexual deixa un marge per als caràcters no òptims que heretaran els descendents. En els vegetals i els animals superiors per a conservar invariables les característiques particularment positives, es recorre cada vegada més a la reproducció asexual a partir de fragments (o també de cèl·lules) d’una planta mare o un animal. Així s’obtenen individus genèticament idèntics.
Projecte Genoma Humà
Després de determinar la naturalesa dels gens, el somni d’alguns genetistes era establir el seu genoma (el contingut total de DNA propi del conjunt dels cromosomes d’una espècie). El primer pas en aquest sentit es va fer el 1978 quan es va determinar el genoma del virus SV40. Però la màxima aspiració era realitzar un mapa cromosòmic de tot el genoma humà.
El 1984 Robert L. Sinsheimer, de la universitat de Santa Cruz de Califòrnia (Estats Units), va crear un institut per estudiar el genoma humà. El 1986 es va incorporar al projecte (Projecte Genoma Humà) el Departament d’Energia dels Estats Units, l’Institut per la Tecnologia de Califòrnia i els laboratoris Los Álamos, que van començar a treballar plegats.
El que pretén el Projecte Genoma Humà (Human Genome Project) és definir, seqüenciar i representar en mapes tota l’estructura genètica humana, és a dir, confeccionar un mapa del conjunt dels gens presents en els cromosomes i fer un estudi de les seqüències genètiques. El 1988 es creà un comitè format pel Consell Nacional de Recerca i l’Acadèmia Nacional de les Ciències per a elaborar aquests mapes cromosòmics.
La idea fonamental és que el DNA conté la informació per al desenvolupament correcte dels individus i que aquesta informació es transmet de generació en generació. Un dels objectius del projecte és aconseguir una millor comprensió de l’estructura i el funcionament del genoma humà per a entendre més bé la natura humana. Molts científics asseguren que aquest coneixement permetrà descobrir les causes de moltes malalties, i indicarà la teràpia a seguir en malalties com el càncer i la SIDA. A llarg termini sembla clara l’aplicació d’una cura preventiva per mitjà de la genètica.
Com hem dit al començament, el Projecte Genoma Humà té com a antecedents altres projectes que estudiaven organismes com els bacteris i els virus i la tan coneguda mosca del vinagre Drosophila, molt utilitzada en la genètica i en la biologia molecular. Aquests estudis de seqüenciació de gens en organismes han posat en relleu que els bacteris tenen 1 000 gens i la Drosophila en té 5 000. En els humans es parla d’una seqüència gènica d’aproximadament 100 000 gens localitzats en 23 parelles de cromosomes.
Primer que res es va haver d’aïllar un cromosoma de les 23 parelles de cromosomes que constitueixen el genoma humà. Un cop aïllat el cromosoma i a partir del DNA recombinant, es procedí al mapatge i seqüenciació del DNA. Des dels anys cinquanta fins ara han estat molts els gens identificats del genoma humà. Actualment se’n coneixen 5 000, tot i que se sap que el total és de gairebé 100 000.
Com tot projecte, ha rebut diverses crítiques, tant des del punt de vista tècnic com religiós i moral. Una de les primers objeccions posa en dubte la necessitat d’aquesta seqüència, perquè tal com ja va quedar demostrat a partir del nou concepte d’espècie de Darwin, no és real. No es pot parlar de seqüència genètica preestablerta ja que el que caracteritza l’espècie és precisament la seva individualitat (tots els individus tenen una seqüència diferent i única, llevat dels bessons monozigots); és a dir, la variabilitat intraespecífica que ja demostra la genètica de poblacions segons la qual les diferents freqüències al·lèliques varien en les poblacions.
Una altra objecció al projecte es basa en el fet que sembla que tots aquests gens tan sols contenen un 5% de la informació (el genoma també està format per fragments inútils, els quals s’anomena "egoistes"). Per tant, potser seria més rendible fer un estudi directe dels gens que proporcionen informació, en lloc de dedicar tot el projecte a l’estudi d’un genoma del qual s’haurà d’anar extraient a poc a poc la informació que interessa.
L’objectiu d’aquest programa és obtenir el nombre total de gens que formen el cromosoma humà per a conèixer la natura humana, per a seqüenciar els gens estructurals i saber quina és la seva seqüència de DNA i per tant dels nucleòtids, que són els que fabriquen les proteïnes (molècules fonamentals del metabolisme). Ara bé, un projecte com aquest, tan sols comparable a la recerca en el camp tecnològic militar i a les tècniques d’enginyeria genètica aplicades sobre organismes d’interès agrícola i alimentari, també ha de tenir en compte que la individualització genètica humana oblida el factor ambiental. Aquest debat es converteix en una versió moderna del debat entre holistes i deterministes basat en la creença que el mecanicisme té un concepte erroni de la realitat.
Fins a quin punt seria bo tenir tota aquesta informació genètica individualitzada? Qui la gestionaria? És aquí on comença el debat moral sobre la tinença d’informació per part dels governs , sobretot quan es tracta d’una informació que posa en joc la vida humana si pot ser utilitzada en casos de criminalitat, tal com passa als Estats Units, on la pena de mort és legal. Si companyies asseguradores disposessin d’aquesta informació, com reaccionarien davant la possible relació entre un gen i determinades malalties? Quines portes ens obre realment el coneixement d’aquesta seqüència genètica? Certament, el panorama no deixa de ser inquietant.
La manipulació dels gens
Darrerament s’han introduït algunes tècniques, aplegades sota el nom d’enginyeria genètica, que permeten recombinar els gens intervenint directament sobre les molècules de DNA, amb resultats i perspectives d’una importància excepcional. Introduir, substituir i modificar segments de DNA permet obtenir caràcters nous i eliminar caràcters negatius. La base d’aquestes recerques són els microorganismes: els bacteris i els virus.
Els bacteris són cèl·lules simples, procariotes, és a dir, sense un veritable nucli. Contenen un sol cromosoma en forma d’anell. En quasi tots els bacteris, però, hi ha altres molècules de DNA a més del cromosoma, que s’anomenen plasmidis. Són petits i tenen pocs gens (entre 2 i 30). Aquestes molècules de DNA també es disposen en forma d’anell i se solen duplicar independentment del DNA del cromosoma. Els plasmidis atorguen a la cèl·lula característiques que complementen les determinades pel cromosoma. Per exemple, algunes soques de bacteris, augmenten el nombre de plasmidis, esdevenen immunes a determinats antibiòtics. De vegades els plasmidis s’incorporen al cromosoma bacterià.
Els bacteris es reprodueixen habitualment per escissió. És un procés menys precís que la mitosi i en el qual tot el DNA del cromosoma es duplica i, per tant, roman invariable en les cèl·lules bacterianes resultants. Un plasmidi incorporat al cromosoma també serà transmès a la descendència.
En alguns casos, però, els bacteris es reprodueixen per una mena de reproducció sexual, anomenada conjugació, on hi ha transferència del DNA d’un bacteri a l’altre. En aquest cas pot ser que un o més plasmidis passin al bacteri receptor, fins i tot independentment del cromosoma, amb la qual cosa el bacteri receptor tindrà caràcters nous.
Aprofitant aquesta mobilitat i capacitat de transmissió dels plasmidis, els investigadors han aconseguit introduir en els bacteris gens de cèl·lules eucariotes. Això s’aconsegueix introduint seccions estranyes de DNA (gens) en plasmidis bacterians, amb la qual cosa s’obtenen soques bacterianes amb caràcters nous. Amb aquesta tècnica, anomenada del DNA recombinant, es va aconseguir durant els anys setanta produir cèl·lules d’Escherichia coli (bacteri habitualment hoste del nostre intestí) capaces de sintetitzar molècules proteiques humanes: la insulina (que regula el metabolisme dels sucres), l’hormona del creixement (GH) i els interferons (que controlen la multiplicació cel·lular i la defensa de les infeccions víriques).
No és fàcil obtenir només un gen per a transferir-lo a un plasmidi bacterià. Parlem dels gens com si fossin entitats aïllades, separades les unes de les altres, però no són sinó seccions d’una llarga i ininterrompuda cadena de DNA, de la qual s’han d’aïllar. Hi col·laboren certs enzims, capaços d’actuar com a "bisturís" d’aquesta operació de "cirurgia molecular". Es tracta dels enzims de restricció, que tenen la capacitat de trencar el DNA en fragments de pocs nucleòtids. Actuen sobre nucleòtids especials, per la qual cosa són capaços de reconèixer l’enllaç sobre el qual han d’actuar i trencar-lo. Hi ha altres enzims capaços de recompondre aquests fragments, encara que provinguin d’organismes diferents, en noves seqüències.
Aquesta tècnica no sempre és adequada. Quan es tracta de DNA complexos, com els de les cèl·lules eucariotes, resulta més útil un procediment més complicat. Sabem que el DNA és una molècula llarguíssima, que conté ordenadament un gran nombre de gens. Però els "missatges" que el DNA envia al citoplasma estan fragmentats: cada gen tradueix la informació per al seu caràcter en una molècula de RNA missatger, produïda en el motlle del segment del DNA en qüestió (vegeu "La cèl·lula"). També es pot procedir a la inversa: aïllant l’RNA missatger per al caràcter que interessa i, al seu motlle, tornar a crear el segment de DNA (el gen). Els enzims que fan possible aquesta transcripció a la inversa s’anomenen transcriptases inverses.
El gen produït així, després pot ser incorporat a un plasmidi i introduït en un bacteri.
Els virus tenen un important paper en la recerca del DNA recombinant, és a dir, en la creació de DNA amb noves seqüències gèniques. Són constituïts per un embolcall de proteïnes que conté una molècula d’àcid nucleic. Quan entren en una cèl·lula hi introdueixen el seu material genètic, que es replica, més i més vegades, a l’interior de la cèl·lula infectada.
Els virus que tenen com a cèl·lules hoste les cèl·lules bacterianes són particularment interessants; en alguns casos poden transferir part del DNA bacterià d’una cèl·lula a l’altra, fenomen que rep el nom de transducció. En els virus se n’han identificat dos comportaments diferents. Hi ha virus que amb el seu embolcall recobreixen fragments de DNA del bacteri hoste i els transporten a un altre bacteri. Aquests fragments de DNA del primer bacteri poden passar a formar part del cromosoma del segon, que d’aquesta manera adquireix gens nous.
Hi ha altres virus que introdueixen el seu àcid nucleic en el bacteri, on adopta l’aspecte i el comportament d’un nou plasmidi i com a tal pot ser incorporat al cromosoma bacterià i duplicar-se. Però pot ser que, sotmès a condicions determinades (les mateixes que indueixen les mutacions, és a dir, els raigs X, la llum ultraviolada, algunes substàncies químiques, etc.), el DNA víric se separi del bacterià i se n’endugui una part. Quan el virus, enriquit amb alguns gens del primer hoste, entra en una segona cèl·lula bacteriana també li transfereix els caràcters del primer bacteri que s’havia endut i que, així, poden esdevenir part del patrimoni genètic del nou hoste.
Els fenòmens de transducció per part dels virus permeten introduir gens nous en cèl·lules que no els tenien.
Objectius possibles
Esquema simplificat de la tècnica del DNA recombinant, emprat per a aconseguir que un bacteri sintetitzi molècules útils per als humans, com ara la insulina. Es basa en l'obtenció del gen de la insulina i la seva introducció en un plasmidi bacterià, per tal d'incorporar-lo en una altra cèl·lula bacteriana capaç de replicar-lo i donar continuïtat a la seva nova característica en la descendència. Els fragments de DNA recombinant poden provenir de cèl·lules d'un mateix individu o d'espècies tan diferents com les humanes i les bacterianes.
ECSA
Les tècniques de l’enginyeria genètica permeten obtenir una recombinació dels gens molt més eficaç que la que es dóna en la natura. No solament no existeixen les barreres creades a la natura pel fet de pertànyer a espècies diferents, sinó que per a l’enginyeria genètica és possible construir "híbrids genètics" artificials, és a dir, éssers vius que continguin DNA procedent d’organismes que poden ser genèticament molt allunyats, com un bacteri o un animal.
Les aplicacions de l’enginyeria genètica són en l’actualitat molt nombroses, en medicina, farmacologia, agricultura i ramaderia. Es produeixen hormones tant animals com vegetals, proteïnes de gran interès terapèutic, antibiòtics, vitamines i vaccins. Es pot millorar la qualitat nutritiva de certs aliments, fer les plantes més resistents als paràsits i crear microorganismes capaços de degradar eficaçment les substàncies orgàniques o tòxiques. També és possible, de moment gairebé només en teoria, manipular el DNA abans del naixement, fins i tot en l’espècie humana, per tal d’eliminar les malalties i les malformacions genètiques. Naturalment, aquestes aplicacions, i d’altres que són en fase experimental o de les quals ja s’ha trobat un possible desenvolupament, ofereixen perspectives molt interessants i es presenten com una forma "revolucionària" de l’ús del medi natural per part de l’home. Amb tot, les implicacions derivades dels coneixements i de les tècniques de l’enginyeria genètica són complexes i no estan mancades de perills. Només cal pensar que permeten, per exemple, crear microorganismes patògens per als quals l’espècie humana no té defenses, o bé "conduir" l’herència dels caràcters d’organismes complexos i fins i tot dels humans.
La possibilitat, de moment teòrica, d’alterar la constitució genètica de l’organisme humà planteja problemes seriosos de caràcter jurídic i moral.
Per a més informació sobre l’ampli camp d’intervenció de l’enginyeria genètica, vegeu "Les biotecnologies".