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Un botón de aplazamiento genético: Cómo los codones sinónimos regulan el reloj biológico

Escrito por evolutionnews.org

El código genético es un código «degenerado», lo que significa que no hay una correspondencia estrictamente biunívoca. Por ejemplo, tres bases diferentes (llamadas codones sinónimos), pueden codificar el mismo aminoácido, la prolina: CCA, CCG y CCC. ¿Por qué es esto así?

Sobre la base de la más simple aritmética, hay 4 bases que se distribuyen en tripletes, lo que permite 4 x 4 x 4 disposiciones, o 64 codones en total. Pero en la mayoría de los seres vivientes sólo se usan 20 aminoácidos. Debido a esta sobreabundancia de posibles codones, algunos aminoácidos pueden admitir más de un codón para su codificación.

Al principio, esta «degeneración» parecía más bien antieconómica, pero se han ido acumulando datos de que los codones sinónimos realmente se comportan de manera diferente, y que esto lleva a diferentes resultados funcionales. Los primeros indicios procedieron de observaciones de que diferentes codones sinónimos afectaban al ritmo de traducción en el ribosoma. Aparentemente, hay un codón «óptimo» que traduce rápidamente, mientras que otros pueden causar un cierto retardo.

El resultado es que estos retardos pueden tener consecuencias funcionales. Investigadores de la Universidad Vanderbilt exponen que los sinónimos permiten una nueva clase de regulación. El ejemplo que dan implica a los ritmos circadianos (el reloj biológico). Una traducción rápida no es siempre la mejor, descubrieron, en contra de una expectativa evolutiva:

Resulta que hay una razón para esa redundancia. Algunos codones son más rápidos y fáciles para su procesado y ensamblaje en proteínas que otros. El reconocimiento de esa diferencia ha llevado al concepto de codones óptimos y a la hipótesis de que la selección natural debería impulsar a los organismos —en particular a los que están en rápido crecimiento— a usar genes que usan codones óptimos para producir proteínas críticas que deben ser muy abundantes o que deben ser rápidamente sintetizadas.

El problema con esa hipótesis quedó expuesto en el estudio de Johnson y Rokas sobre el efecto del cambio de uso de codón en el simple reloj biológico que se encuentra en las unicelulares cianobacterias (algas verdeazuladas) y en un estudio similar del reloj biológico más complejo que se encuentra en el moho del pan, llevado a cabo por un equipo dirigido por el Profesor Yi Liu del Centro Médico de la Universidad de Texas Southwestern, estudios que se publicaron de manera conjunta.

«Lo que descubrió el equipo de Liu fue que la optimización de todos los codones empleados por el reloj biológico micótico inutilizaba el reloj, ¡algo totalmente inesperado! Esos investigadores concluyeron que las proteínas que confirman el reloj en el hongo no se ensamblan apropiadamente si se sintetizan demasiado deprisa; es como si la velocidad con que escribimos afectase a nuestra capacidad para leer el texto» decía Johnson, a modo de resumen.

Nuevas investigaciones en Vanderbilt muestran que la sustitución de codones para el reloj biológico en las cianobacterias por los óptimos tuvieron

«un efecto más sutil pero potencialmente igual de profundo: redujo de manera significativa la supervivencia de las células a ciertas temperaturas»..

En otras palabras, la capacidad de conmutar entre codones sinónimos da a las bacterias una caja de herramientas para adaptarse a cambiantes condiciones ambientales. Refiriéndose de nuevo a la analogía con la escritura, el Profesor Antonis Rokas dice:

«En las cianobacterias, es como si la velocidad de la escritura cambia el significado».

Como es el caso en muchos lenguajes escritos, el código genético está lleno de sinónimos: «palabras» con diferente escritura que tienen significados idénticos o muy similares. Durante mucho tiempo, los biólogos creían que esos sinónimos, llamados codones sinónimos, eran realmente intercambiables. Recientemente se han dado cuenta que este no es el caso y que las diferencias en el uso de codones sinónimos tienen un significativo impacto sobre los procesos celulares, de modo que los científicos han propuesto diversas ideas acerca de la función que desempeñan esas variaciones.

Ahí es donde entra el «botón de aplazamiento». El reloj biológico es fundamental para muchos procesos biológicos, «incluyendo los patrones del sueño y de alimentación, de la temperatura basal del cuerpo, la actividad cerebral, la producción de hormonas y la regeneración celular». La capacidad de afectar a la velocidad de traducción es otra manera que tiene el organismo para adaptarse:

«Este trabajo expone cómo los organismos pueden ignorar el reloj bajo ciertas circunstancias —muy parecido a pulsar un botón de aplazamiento biológico en el reloj interno— y potenciar su supervivencia frente a las siempre cambiantes circunstancias».

Esta nueva comprensión de los codones sinónimos permite a los investigadores considerar nuevas maneras de diseño de ingeniería de las bacterias para la producción optimizada de sustancias deseables, como biocombustibles, sencillamente ajustando los sinónimos que se usan en traducción. Rokas decía: «Ahora queda claro que las variaciones en el uso de los codones son una forma de regulación genética fundamental y no apreciada en sus justos términos».

Este comunicado de prensa de Vanderbilt promete sin más detalles que ese descubrimiento representa un «importante avance en la comprensión de la evolución a nivel molecular». ¿Pero cómo? Nos dicen que según la hipótesis evolucionista, «la selección natural debería impulsar a los organismos —en particular a los que están en rápido crecimiento— a usar genes que usan codones óptimos». Por lo que parece, no lo hace. El descubrimiento de que codones sinónimos pueden desempeñar distintas funcionalidades está más de acuerdo con un diseño inteligente: es otro nivel de regulación que puede matizar los resultados de la traducción, de manera muy parecida en que los sinónimos en español son un instrumento de la capacidad del escritor para matizar los significados.

La capacidad para «ajustar finamente» la expresión según las necesidades del ambiente sugiere una planificación por una causa inteligente —una causa que podría prever la necesidad de los organismos para adaptarse a un mundo cambiante. Los mecanismos para robustez (la capacidad para tolerar cambio) están incluidos en el código genético. Siempre que vemos sistemas robustos como sofware tolerante a fallos o edificios a prueba de seísmos, sabemos intuitivamente que la inteligencia está detrás de ello. El mismo razonamiento se puede aplicar a sistemas biológicos. Se tiene que admitir que encontrar un botón de aplazamiento en el reloj biológico es algo realmente muy grato.

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