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¿Cómo se puede modelar la replicación del ADN? - biología

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Objetivos:

  • Construya un modelo de ADN usando sujetapapeles de colores y use el modelo para
  • ilustre cómo se lleva a cabo la replicación semiconservadora.
  • Compare las acciones de la ADN polimerasa con la ADN helicasa.
  • Resumir cómo la replicación semiconservadora reduce los errores en las copias.

Procedimiento:

Construirá un gen de la hormona del crecimiento humano de doble hebra (hGH) utilizando clips de colores.


Adenina (A) = negro
Timina (T) = blanco
Citosina (C) = rojo
Guanina (G) = verde

Paso 1: construir ADN de hGH humana
Une los clips apropiados para crear 2 grupos de hGH de acuerdo con la siguiente secuencia modificada. El gen real consta de 573 bases. Recuerde seguir la regla del par de bases. A ‐ A ‐ G ‐ C ‐ T ‐ T ‐ A ‐ T ‐ G ‐ G ‐ T ‐ C ‐ C ‐ C ‐ G ‐ G ‐ A ‐ C ‐ G ‐ A ‐ A ‐ G ‐ C ‐ T

Paso 2: descomprime el ADN
La replicación del ADN se denomina semiconservativo porque el proceso salva, o conserva, la mitad de la hebra original. Las enzimas helicasa en la célula primero DESCOMPRIME la molécula de ADN. Separe los dos lados de la molécula de ADN que construyó para modelar este proceso.

Paso 3: construye nuevos hilos
La ADN polimerasa construye una nueva mitad a cada lado de la hebra descomprimida, siguiendo la regla del par de bases. Agregue nuevos clips del color apropiado a cada lado de la molécula descomprimida. Cuando termine, debería tener dos moléculas de ADN de doble hebra completas ahora.

Discusión:

  1. ¿Cómo este método o replicación reduciría los errores (mutaciones) en el ADN recién construido?
  2. Compare la ADN helicasa con la ADN polimerasa. ¿Cuáles son sus roles en la replicación?
  3. ¿Qué es la regla del par de bases? ¿Cómo entra en juego durante la replicación?

¿Cómo se puede modelar la replicación del ADN?

Procedimiento: Construirá un gen de la hormona del crecimiento humano (hGH) de doble hebra con clips de colores.

Adenina (A) = negro
Timina (T) = blanco
Citosina (C) = rojo
Guanina (G) = geen

Paso 1: construir ADN de hGH humana

Une los clips apropiados para crear 2 grupos de hGH de acuerdo con la siguiente secuencia modificada. El gen real consta de 573 bases. Recuerde seguir la regla del par de bases.

Paso 2: descomprime el ADN

La replicación del ADN se denomina semiconservativa porque el proceso salva, o conserva, la mitad de la hebra original. Las enzimas helicasa en la célula primero DESCOMPRIME la molécula de ADN. Separe los dos lados de la molécula de ADN que construyó para modelar este proceso.

Paso 3: construye nuevos hilos

La ADN polimerasa construye una nueva mitad a cada lado de la hebra descomprimida, siguiendo la regla del par de bases. Agregue nuevos clips del color apropiado a cada lado de la molécula descomprimida. Cuando termine, debería tener dos moléculas de ADN de doble hebra completas ahora.

Discusión:

1. ¿Cómo este método o replicación reduciría los errores (mutaciones) en el ADN recién construido?

2. Compare la ADN helicasa con la ADN polimerasa. ¿Cuáles son sus roles en la replicación?

3. ¿Qué es la regla del par de bases? ¿Cómo entra en juego durante la replicación?

/> Este trabajo está sujeto a una licencia internacional Creative Commons Reconocimiento-No comercial-Compartir igual 4.0.


Curiosamente, la respuesta es sí. El problema con las hebras paralelas es que el ADN no se empareja de la forma conocida que lo hace cuando se combina en antiparalelo (o pares de Watson-Crick). He encontrado diferentes imágenes que ilustran los problemas:

Ambas imágenes son de esta publicación de blog (originalmente de una publicación citada allí que no está disponible en línea). Ambas imágenes muestran una estructura de ADN distorsionada.

Este artículo ("Estructura de RMN de un dúplex de ADN de cadena paralela a resolución atómica") muestra una solución más esquemática de este problema mostrando los emparejamientos simples. C y G no pueden formar 3 enlaces de hidrógeno, ya que lo hacen en el emparejamiento Watson-Crick.

Las subfiguras A y C muestran los pares Watson-Crick, los demás provienen de enlaces paralelos.

Estos cambios en la estructura interrumpen la función del ADN (que, por ejemplo, depende de la hebra inversa para la lectura de pruebas). Enzimas que se replican, transcriben, reparan, etc. El ADN no funcionará en esta estructura modificada, ya que su función depende de las características estructurales del ADN.

Creo que una posibilidad interesante es que usando la construcción PARALELA es muy difícil hacer estructuras 'interesantes'. Esto no es importante para el ADN en sí, pero ahora es fundamental para las moléculas de ARN. e incluso más históricamente en el "mundo del ARN". Considere: si hace una estructura usando el emparejamiento ANTIPARALELO, todo lo que el ácido nucleico necesita hacer es 'girar' 180 grados (conocido como giro en 'horquilla') antes de poder emparejarse consigo mismo (es decir, formar la estructura inicial). Esto está bien ilustrado por tRNA http://www.wiley.com/legacy/college/boyer/0470003790/structure/tRNA/trna_intro.htm

Ahora, intente dibujar una estructura similar a ARNt utilizando el emparejamiento PARALELO: una hebra debe pasar por un giro COMPLETO de 360 ​​grados antes de poder emparejarse por sí mismo. Esto es un desperdicio y quizás incluso imposible sin mucha secuencia agregada. Dado que la mayoría de la gente acepta que los comienzos de la vida fueron moléculas de ARN o similares al ARN que eran funcionales (lo que requiere formas) así como la 'codificación' (secuencia de ADN o ARN), si las formas fueran demasiado complicadas o no pudieran formarse, la vida no puede comenzar.

Este sería un argumento evolutivo, en oposición a estructural, contra las estructuras paralelas.

Aquí hay otro tema que es más biológico. En general, las enzimas que se replican y "leen" el ADN corren en una dirección a lo largo de la hebra única de ADN sobre la que operan. El hecho de que la otra hebra de ADN corra en la dirección opuesta hace que sea imposible que estas enzimas salten de una hebra a la otra y asegura que estén operando con la información adecuada para hacer su trabajo. Si las hebras de ADN fueran paralelas, es probable que las enzimas se unieran a un locus y luego leyeran al azar la información de cualquiera de las hebras, y la información producida sería ridícula. Entonces, si bien es químicamente posible tener ADN paralelo, un sistema biológico que se basa en ADN paralelo estaría en una gran desventaja competitiva y, por lo tanto, si alguna vez surgieran, probablemente se extinguirían por los sistemas que ahora vemos que usan antiparalelos. ADN.


¿Cómo se puede modelar la replicación del ADN? - biología

Modelos semiconservadores, conservadores y dispersivos de replicación del ADN

En el modelo semiconservador, las dos hebras parentales se separan y cada una hace una copia de sí misma. Después de una ronda de replicación, las dos moléculas hijas comprenden cada una una cadena vieja y una nueva. Tenga en cuenta que después de dos rondas, dos de las moléculas de ADN consisten solo en material nuevo, mientras que las otras dos contienen una hebra vieja y una nueva.

En el modelo conservador, la molécula parental dirige la síntesis de una molécula de doble hebra completamente nueva, de modo que después de una ronda de replicación, una molécula se conserva como dos hebras antiguas. Esto se repite en la segunda ronda.

En el modelo dispersivo, el material de las dos hebras parentales se distribuye de forma más o menos aleatoria entre dos moléculas hijas. En el modelo que se muestra aquí, el material viejo se distribuye simétricamente entre las dos moléculas hijas. Son posibles otras distribuciones.

El modelo semiconservador es el modelo intuitivamente atractivo, porque la separación de las dos cadenas proporciona dos plantillas, cada una de las cuales lleva toda la información de la molécula original. También resulta ser el correcto (Meselson & amp Stahl 1958).


Replicación del ADN: un juego de precisión

La división celular y la replicación del ADN son partes cruciales de la vida. En esta imagen, las células se encuentran en varias etapas de crecimiento y división celular. Tenga en cuenta la celda en el centro, donde se separan dos conjuntos de ADN idéntico, preparándose para dividirse en dos células "hijas" resultantes. El complejo de reconocimiento de origen (demasiado pequeño para verse en esta imagen) es responsable de coordinar muchas partes de este proceso de replicación del ADN.

La comida para llevar

El complejo de reconocimiento de origen (ORC) es un grupo de proteínas involucradas con cada evento de división celular en nuestras células. Los investigadores han visualizado la estructura de este complejo, han analizado sus mecanismos para iniciar la replicación del ADN y han descubierto otras funciones que desempeña el ORC. Las mutaciones en los genes que codifican estas proteínas pueden provocar enfermedades.

Estirar el ADN en los 46 cromosomas empaquetados en una célula humana haría una cadena de ADN de dos metros de largo. La replicación precisa de todo ese ADN es vital para la supervivencia de las células y debe controlar este proceso con tremenda precisión en el tiempo y el espacio. Los complejos de reconocimiento de origen (ORC) inician la tarea de replicación del ADN en todo el genoma en un patrón temporal controlado. En el genoma de los mamíferos, este grupo de proteínas se ensambla en decenas de miles de sitios a la vez, lo que garantiza que cada cromosoma se copie con precisión una vez por división celular. El presidente y director ejecutivo de Cold Spring Harbor Laboratory (CSHL), Bruce Stillman, y otros científicos de CSHL han estado trabajando durante décadas para comprender las complejidades de la ORC, la replicación del ADN y la división celular.

Antígeno T: historia de origen de ORC

En la década de 1980, los investigadores que querían comprender la replicación del ADN en animales utilizaron virus como un sistema modelo simplificado. En CSHL, Stillman trabajó con un virus tumoral de simio, el SV40, que podría causar tumores cuando se introduce en roedores. El antígeno T de SV40, la primera proteína que el virus produce dentro de una célula huésped, es necesario para el primer paso de la replicación del ADN del virus. El antígeno T secuestra otras proteínas de la célula infectada para replicar el genoma del virus. Durante las próximas décadas, los investigadores utilizarían la replicación de SV40 para descubrir docenas de proteínas celulares que son necesarias para la replicación del genoma de las células humanas. El laboratorio de Stillman buscó la (s) proteína (s) que inician la duplicación del cromosoma celular, en lugar de la replicación del genoma del virus. Descubrieron y nombraron a esta proteína ORC.

Conceptos básicos de la estructura ORC

El ORC humano está compuesto por ORC1, ORC2, ORC3, ORC4, ORC5 y ORC6 y se une a una proteína llamada CDC6 que está relacionada con ORC1. Cuando está completamente ensamblado, el complejo tiene forma de anillo, como se muestra en estas imágenes. La imagen A. tiene una resolución casi atómica, asegurada mediante cristalografía de rayos X y microscopía crioelectrónica. Imagen: laboratorio Joshua-Tor

Los científicos han descubierto la estructura de los ORC en varias especies. Leemor Joshua-Tor, colaborador de Stillman, profesor de CSHL e investigador del HHMI, visualizó el complejo ORC humano mediante cristalografía de rayos X y microscopía crioelectrónica (crio-EM). El ORC humano consta de seis proteínas cuando está completamente ensamblado en un anillo alrededor de un tramo de ADN. Partes del ORC se retuercen y pellizcan drásticamente, cambiando de forma a medida que se ensambla alrededor del ADN. Mientras que un ORC de levadura se puede encontrar principalmente en una forma estable, el ORC de insectos (moscas de la fruta) y humanos pueden cambiar entre una forma y otra. Además, el ORC humano tiene regiones dinámicas que no se ven en la levadura unicelular. Las regiones dinámicas son probablemente esenciales para regular y coordinar la división celular en un organismo multicelular.

Cuándo comenzar la replicación

Las proteínas del complejo ORC se mantienen cerca unas de otras en compartimentos líquidos en el núcleo y reclutan proteínas como CDC6 y otras proteínas que controlan cuándo obligar a la célula a dividirse. Cuando la proteína ORC1 se une al ADN, recluta CDC6, una proteína que regula y recluta otras proteínas, a una fase líquida y completa el anillo ORC. Completar los activadores del anillo es un paso esencial en el proceso de inicio de la replicación del ADN.

Para replicar el genoma una y solo una vez por división celular, existen muchos ciclos de retroalimentación, controles y equilibrios. Los niveles de ORC1 y CDC6 fluctúan durante el ciclo celular. Cuando alcanzan un cierto equilibrio, ORC comienza a ensamblarse, mientras que CDC6 se une a otro dúo de moléculas llamado Cyclin E-CDK2. Luego, CDC6 se une a ORC1, llevando consigo las otras moléculas, lo que permite que comience la replicación. Imagen: Laboratorio Stillman Los bucles de retroalimentación estrechamente controlados entre ORC1, CDC6 y otras moléculas regulan el tiempo de replicación. Decenas de miles de ORC se ensamblan simultáneamente a lo largo de los cromosomas y, después del ensamblaje, se emplean secuencialmente para iniciar la replicación.

ORC1 y el centrosoma

Las proteínas ORC no solo participan en la replicación del ADN, sino que también ayudan a dividir los cromosomas por igual en las dos nuevas células. Los centrosomas son los orgánulos intracelulares (partes especializadas de la célula) que construyen pequeños cables que separan los cromosomas en dos nuevas células hijas. El laboratorio de Stillman descubrió que ORC1 controla la cantidad de centrosomas en una célula, asegurándose de que haya dos (y solo dos) para separar los cromosomas copiados durante la división celular. Los científicos creen que ORC1 hace este trabajo adicional al moverse hacia los centrosomas en algún momento durante el ciclo de división celular.

Reconocimiento de la importancia de ORC

El laboratorio de Stillman ha recorrido un largo camino desde el estudio de los virus y las levaduras hasta la identificación de los mecanismos de los cánceres humanos. Por ejemplo, su grupo encontró que cuando CDC6 y Cyclin E están sobreexpresados ​​o ORC1 está subexpresado, la célula se prepara para dividirse una y otra vez, sin pasar por los puntos de control. Esto puede dar lugar a daños en el genoma y eventualmente a un crecimiento canceroso. Orc1 las mutaciones pueden causar disfunciones celulares que contribuyen directamente a un síndrome caracterizado por personas con enanismo severo, tamaño pequeño del cerebro y otras anomalías.

La vida sería imposible si las células en división replicaran su ADN con una precisión inferior a la casi perfecta. Es importante transmitir el ADN con precisión sin generar errores que puedan provocar cáncer y otros trastornos.

Escrito por: Jasmine Lee, Desarrollador de contenido / comunicador | [email protected] | 516-367-5940

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“Actuar per se, como todo arte, es un proceso de abstracción, de retener solo detalles significativos. Pero en la suplantación de identidad, cualquier detalle puede ser significativo ". - El Gran Lorenzo, Estrella doble por Robert Heinlein

En Robert Anson Heinlein Estrella doble (1956), el actor de mala suerte "El gran Lorenzo" (también conocido como Lawrence Smythe) es reclutado por el frenético equipo político de John Bonforte, un VIP en la política del sistema solar que ha sido secuestrado para provocar una crisis diplomática. Contratado para hacerse pasar por Bonforte, en el transcurso de una serie de complicaciones cada vez mayores, Smythe no solo simpatiza con la política de Bonforte, sino que desempeña su papel tan perfectamente que cuando Bonforte cae muerto en la noche de las elecciones, Smythe se convierte permanentemente en Bonforte. Es una comedia alegre sobre temas cercanos y queridos para el corazón de su autor: política, viajes espaciales, moralizar y recortar los números de los viejos tropos (en este caso, la clásica trama doble del cuerpo), que ganó el tercer premio Hugo. a Mejor Novela y es ampliamente considerada como la mejor novela de Heinlein.

En 1956, la propia Edad de Oro de Heinlein estaba en pleno apogeo, habiendo "domesticado el futuro" para los fanáticos de la ciencia ficción durante los veinte años anteriores a través de su prosa sencilla y su dedicación a la precisión técnica, lo que facilita a los lectores visualizar el futuro entre las estrellas. podría parecer. De John W. Campbell Asombroso era el mercado pagando generosas (en ese momento) tarifas por palabra, permitiendo a sus colaboradores ganarse la vida escribiendo (siempre que se adhirieran a su visión editorial dominante), y el escritor más exitoso en el Asombroso establos de lejos fue Heinlein. Directa e indirectamente allanaría el camino para que otros escritores florecieran a su paso y para que la ciencia ficción floreciera en general, convirtiéndose en "digno de lectores y escritores adultos", como Philip K. Dick escribió en una carta de un fan en 1970 a Heinlein. . Como tal, la historia de la evolución de la ciencia ficción desde sus orígenes en la Edad de Oro es también la historia de Robert Anson Heinlein.

De manera similar, el descubrimiento de la estructura del ADN en 1953 representó una "domesticación del futuro" similar para la biología, ya que brindó a los biólogos una plataforma sobre la cual finalmente podrían proliferar las hipótesis de trabajo. Gracias a la afluencia de físicos y químicos en el campo, llegó en un momento en que las herramientas que tenía la biología a su disposición se habían vuelto más sofisticadas, lo que permitió a los científicos hacer preguntas más sofisticadas. Debido a esto, ninguna otra ciencia, ni siquiera la física, se expandió tanto como la biología en América del Norte y Europa desde mediados de la década de 1950 hasta mediados de la de 1960, lo que llevó a la expansión de laboratorios, conferencias más grandes, más competencia, más conversación. y una proliferación de publicaciones. Y la principal de las preguntas que se plantearon fue ¿cómo esta molécula repetitiva, de doble hélice, "imagen especular" se propagó de generación en generación y dio cuenta de toda la diversidad que nos rodea?

Heinlein siempre afirmó que el objetivo de su ficción era hacer que sus lectores lo cuestionaran todo, una tendencia aparentemente desmentida por sus antecedentes militares. Nacido en 1907 en Kansas City, Missouri en una familia metodista numerosa y empobrecida, comenzó a trabajar a una edad temprana para mantenerse a sí mismo mientras leía todo lo que podía en la biblioteca pública, encontrando favoritos entre las historias de Horatio Alger, Mark Twain y Rudyard Kipling. Aspirando a convertirse en astrónomo, su única opción sería ingresar al servicio militar a través del trabajo duro y la perseverancia, se aseguró un lugar en la academia naval de los Estados Unidos en Annapolis en 1924. En 1934, fue dado de alta honorablemente después de contraer tuberculosis. Viviendo en Los Ángeles con la Gran Depresión en pleno apogeo, Heinlein se involucró en el movimiento político progresista de izquierda End Poverty in California, que se alineaba con su ya bien desarrollado sentido moral de responsabilidad social (también fue un nudista de toda la vida y no monogamista y asociado con Jack Parsons, un famoso científico espacial y seguidor de Aleister Crowley, que fue etiquetado como subversivo por los militares). Pero después de la fallida oferta de Upton Sinclair para gobernador y la fallida campaña de Heinlein para un escaño en la Asamblea Estatal, en 1938, a la edad de 31 años y con solo su pensión militar para pagar la hipoteca de su casa y mantenerlo a él y a su segunda esposa, Leslyn, recurrió a la ciencia ficción (habiéndose convertido en un fanático del género mientras estaba en la Marina) para llegar a un público más amplio con sus ideas.

Mientras tanto, el artículo de James Watson y Francis Crick de 1953 "Molecular Structure of Nucleic Acids: a Structure for Deoxyribose Nucleic Acid", incluyó una de las mayores subestimaciones en la historia de la biología: "No ha pasado inadvertido que el emparejamiento específico que han postulado de inmediato sugiere un posible mecanismo de copia del material genético ". El mecanismo de copia del ADN para que su naturaleza se conserve de una célula a otra, de generación en generación, es uno de los dos requisitos de un material hereditario (además de ser el modelo de un organismo). No es raro en biología que la forma implique función, y lo que Watson y Crick insinuaron con su oración es que para que el material hereditario se componga de dos hebras perfectamente complementarias, una hebra podría actuar como modelo para la otra. Si uno tuviera que separar las hebras, cualquier copia hecha coincidiría perfectamente con su gemelo separado, lo que indica un mecanismo listo para la propagación. Sin embargo, así como el modelo de Watson y Crick era solo una teoría en ausencia de las fotografías de rayos X de Rosalind Franklin que lo respaldaran, la teoría de la replicación del ADN requeriría una verificación experimental que representaría los inicios del campo de la biología molecular.

La carrera de Heinlein como escritor también contuvo una serie de comienzos en la ciencia ficción. Campbell sólo había sido editor completo de Asombroso durante unos meses antes de comprar la primera historia de Heinlein, "Life-Line" en 1938. Heinlein rápidamente aprendió a escribir según los gustos de Campbell y, a través de la correspondencia sobre sus historias, entabló lo que se convertiría en una amistad para toda la vida. Durante los siguientes veinte años, Heinlein escribió casi exclusivamente ficción corta para las pulps (ya que eran el único lugar para la ciencia ficción en ese momento) y publicó principalmente con Campbell (vendiendo sus historias rechazadas por Campbell a mercados menos bien pagados en varios seudónimos). Para cuando Estados Unidos entró en la Segunda Guerra Mundial, Heinlein se estableció como la voz central de la ciencia ficción, pero se sintió sofocado por la inflexibilidad de Campbell cuando se trataba de temas tabú sobre los que Heinlein quería escribir, en particular el sexo, la religión y la no monogamia. Después de ofrecerse como voluntario para el esfuerzo de guerra (adquiriendo un disgusto por la burocracia en el Astillero Naval de Filadelfia, pero conociendo a su futura tercera esposa, Virginia & # 8220Ginny & # 8221 Gerstenfeld), Heinlein puso su mirada en mercados mejor pagados y se convirtió en el primero en publicar un historia de ciencia ficción en un "resbaladizo", que vende "Las colinas verdes de la Tierra" a los Publicación del sábado por la noche en 1947.

Otra novedad de Heinlein fue escribir y actuar como consultor técnico en la película de 1950. Luna de destino, la primera película de ciencia ficción moderna, que ganó un Oscar por sus efectos especiales (la estatua del premio Hugo está basada en el cohete de la película). Pero el legado más importante de Heinlein fue llevar la ciencia ficción a los jóvenes, donde llevó la historia de aventuras al espacio, escribiendo nueve libros entre 1947 y 1959 llenos de proyecciones de su propia infancia encarnadas en los niños ingeniosos y atrevidos con actitudes positivas. que usaron la lógica y sus brújulas morales internas para superar obstáculos y ver la galaxia, historias que tuvieron un impacto enorme en la generación Boomer que creció leyéndolas.

Igual de impresionantemente ingeniosos fue el par de biólogos, Matthew Meselson y Franklin Stahl, que idearon "el experimento más hermoso de la biología". En el centro de la cuestión de la replicación del ADN estaba el método: ¿actuaban las hebras como plantillas directas sobre las que se construían copias (replicación semiconservada), o las hebras se descomponían y volvían a ensamblar? ¿O tal vez nunca se separaron en absoluto (replicación conservada) y fueron copiados por algún otro mecanismo? Entonces, cuando Meselson y Stahl se conocieron por primera vez en 1954, se preguntaron si se podrían usar isótopos radiactivos más pesados ​​para diferenciar las copias de los originales. Los bioquímicos habían utilizado la técnica durante algún tiempo para rastrear los productos de las reacciones enzimáticas, pero la cuestión era cómo separar moléculas tan pequeñas. No fue hasta que ambos estaban trabajando en el laboratorio de Linus Pauling en Caltech en 1958 cuando Meselson escuchó sobre la centrifugación en gradiente de densidad, donde una muestra se agrega a un gradiente líquido de sales de diferente densidad y se centrifuga a altas velocidades hasta que las muestras descienden a la correspondiente densidad en el gradiente. Si permitían que el ADN se replicara en presencia de radioisótopos, podían determinar cuál era la verdad: si había una banda marcada pesadamente, las hebras parentales se destruían si había una banda pesada y una banda ligera sin marcar, la replicación se conservaba pero si había era una banda pesada y una banda media, la replicación semiconservadora era cierta. Las imágenes resultantes mostraron claramente una banda en el medio. La replicación del ADN, entonces, era semi-conservadora, una hermosa confirmación de la forma que denota función.

Mientras Meselson y Stahl estaban encerrados en una habitación por el biofísico Max Delbrück para escribir su artículo sobre la replicación del ADN en 1958, Heinlein aspiraba a su propia alineación de forma y función: es decir, usar la plataforma de su fama para finalmente hablar sobre las ideas. los editores se habían resistido en sus historias durante décadas. Esto se produjo en un momento en que la ciencia ficción estaba cambiando, cuando los libros de bolsillo se habían convertido en dominantes y la cantidad de lectores aumentaba enormemente (las revistas se habían hecho en gran medida por la televisión y los cómics durante la década de & # 821750), y la carrera espacial estaba intensificando el interés por la ciencia ficción. . Desafortunadamente, los éxitos soviéticos con el Sputnik y Yuri Gagarin, y eventos como la crisis de los misiles cubanos afectaron la visión optimista de Heinlein de que el mundo era inherentemente justo y que la humanidad pronto se lanzaría a explorar las estrellas. Si bien sus ideas de individualismo y responsabilidad propia siguieron siendo prominentes en su ficción, se amargó por el desarme nuclear, creyendo que la única solución era llevar el palo más grande y estar dispuesto a usarlo.

Esto prestó la primera novela de su período medio, Starship Troopers (1959), con tintes abiertamente fascistas (no obstante, ganó el Hugo en 1960). Poco después, escribió otras dos novelas ganadoras de Hugo:Extraño en tierra desconocida (1960), un tratado sobre libertad sexual y responsabilidad propia, y la culminación de un intento de décadas de escribir a Mowgli como un marciano, y La luna es una amante dura (1966), un homenaje a la Revolución Americana ambientada en una utopía anarquista lunar cuya victoria proviene de arrojar piedras a la tierra hasta que les otorguen su Independencia. Gracias al comercio de libros de bolsillo, Heinlein se convirtió en un autor de éxito de ventas durante este tiempo, encontrando abundantes nuevos fanáticos en el ejército, los hippies y los libertarios por igual. Si bien Heinlein afirmó que sus libros estaban destinados a desafiar las creencias de sus lectores sin abrazar ningún mensaje específico, Isaac Asimov dijo de Heinlein en sus memorias: “No creía en hacer lo suyo y dejar que tú hicieras lo tuyo. Definitivamente tenía la sensación de que sabía más y de sermonearlo para que estuviera de acuerdo con él ". Si bien su política siempre había sido evidente en su ficción, su escritura en este período comenzó a sacrificar la trama y el carácter en favor de un estilo más didáctico. Y cualquiera que sea el ángulo desde el que venían los lectores, la ciencia ficción y Robert Heinlein se habían convertido en parte del léxico cultural.

Mientras Meselson y Stahl discutían sobre radioisótopos, un investigador con amplia experiencia en la técnica abordó la cuestión de la replicación del ADN desde su propio ángulo diferente. Arthur Kornberg, un bioquímico de origen polaco de la Universidad de Washington, adoptó un enfoque similar al de Oswald Avery para identificar los componentes celulares necesarios para la replicación del ADN. Kornberg tenía experiencia en la purificación de enzimas y el metabolismo energético, y sabía que una enzima era la responsable y se requería energía para el proceso de replicación. Tomó extractos de células bacterianas, agregó ATP (una pequeña molécula utilizada como energía en reacciones celulares) y nucleótidos marcados con radioisótopos para rastrear el ensamblaje del ADN. Descubrió que se requería una plantilla de ADN como "cebador" (que mostraba que la síntesis no era espontánea) y, posteriormente, purificó la enzima responsable, a la que llamó ADN polimerasa. Con este cóctel, sintetizó ADN de diversas fuentes y, después de que algunos editores miopes rechazaron su artículo inicial, fue aceptado en 1958 y Kornberg ganó el Premio Nobel en 1959. Su grupo de investigación demostraría más tarde que el ADN hicieron copias fieles que de hecho se complementaban entre sí, tal como había predicho el modelo de Watson y Crick.

El período tardío de Heinlein comienza en 1979 después de una pausa de casi una década, que incluyó la mudanza a California, la construcción de una nueva casa y episodios repetidos de diversas enfermedades, incluida la cirugía invasiva para corregir un intestino perforado, que requirió una transfusión de sangre para mantenerse. Heinlein vivo. La mayor parte de sus esfuerzos desde la década de 1970 hasta su muerte se centró en los esfuerzos de los activistas para aumentar el grupo de donantes de sangre voluntarios (particularmente en las convenciones de ciencia ficción), como defensor del programa espacial y hacer que se escuche su voz en el Aviso de Ciudadanos de la administración Reagan. Board, donde dio su apoyo al fallido programa de defensa estratégica & # 8220Star Wars & # 8221. Durante este período, Heinlein escribió cinco novelas, muchas de las cuales eran extensiones de su serie de historia futura, excepto con un estilo didáctico aún más fuerte y un enfoque en la exploración de varios tabúes sexuales, incluido el incesto. Si bien su catálogo posterior continuó vendiéndose bien, Heinlein nunca volvió a estar en forma, y ​​después de sufrir complicaciones por enfisema e insuficiencia cardíaca congestiva, Heinlein murió en su casa en 1988 a los 81 años.

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Si bien la replicación del ADN puede parecer un rincón menor de la biología, su importancia no puede ser exagerada: el trabajo en esta área iluminó la base de todas las variaciones genéticas en la tierra. Cualquier error cometido durante la replicación del ADN podría explicar la aparición espontánea de nuevos rasgos en las especies. Junto con la presión selectiva, la replicación del ADN es la materia de la evolución. No solo eso, sino que se produjo una revolución en la biología en 1983 cuando Kary Mullis, un químico que trabajaba en una de las primeras empresas biotecnológicas, se basó en los hallazgos de Kornberg para replicar una región específica del ADN en una serie de baños de agua con una técnica llamada Cadena de polimerasa. Reacción, que permite a los biólogos moleculares por primera vez copiar regiones específicas de ADN. Mullis ganaría su propio Premio Nobel por este trabajo en 1993, y ahora es un procedimiento estándar que se utiliza en todos los laboratorios de biología molecular del mundo.

El legado de Heinlein es de gran alcance y multifacético. Acuñó términos como astrogator, Waldo y grok (por nombrar algunos), su juventud inspiró a una generación de ingenieros, científicos y escritores de ciencia ficción, y sus libros de la era media se convirtieron en la voz de una generación descontenta que buscaba algo. más grande en lo que creer, ya sea la protección y la guía de un ejército fuerte, y / o la libertad de vivir como los individuos quieran en paz unos con otros. La lectura de sus libros hoy revela un completo olvido de los privilegios y un enfoque de la escritura de personajes femeninos que intenta ser progresivo pero no se sostiene del todo bien, empantanándose en los estereotipos de género y la objetivación. Sin embargo, es importante señalar que él pensaba y escribía sobre estos temas a menudo antes de que hubiera diálogos nacionales sobre ellos. Independientemente de si está de acuerdo con la política o no, son libros que inspiran argumentos. La escritura de Heinlein fue la plantilla contra la que proliferaron los escritores de ciencia ficción y las historias como tantas hebras complementarias de ADN.

En nuestro próximo artículo, veremos cómo encaja otra pieza del dogma central al explorar la relación entre el ADN y el ARN, y exploraremos la vida de otra figura central en la Era Dorada de la ciencia ficción: Isaac Asimov.


La replicación de virus

Los virus también se reproducen, pero no pueden hacerlo por sí mismos. Por eso no se les puede llamar "vivos" en el sentido más estricto de la palabra. Utilizan el aparato de replicación de las células huésped y, además, han desarrollado una serie de características especiales. Los científicos diferencian los virus según el tipo de genoma: existen virus de ADN y ARN: los virus pueden tener ARN lineal monocatenario o bicatenario, ADN lineal monocatenario o bicatenario, ADN circular monocatenario o bicatenario y otros variaciones. Algunos virus contienen algunas de las enzimas necesarias para su replicación, por ejemplo, el virus de la influenza, cuya envoltura no solo contiene un genoma de ARN sino también una ARN polimerasa. Cuando el virus ingresa a la célula huésped, la enzima ARN polimerasa comienza a replicar el genoma viral. La síntesis del genoma de los virus de ADN generalmente comienza en un origen de replicación que se une a proteínas iniciadoras específicas, que reclutan enzimas de replicación de la célula huésped que luego replican el genoma viral.

The HI virus is a retrovirus and thus a very exotic case. The virus got its name due to the fact that it reverses the normal process of transcribing DNA into RNA (transcription) during reproduction. The virus has a single-stranded RNA genome and an enzyme called reverse transcriptase. This enzyme copies the single-stranded RNA genome into a complementary DNA molecule, thereby enabling the integration of the viral genome into the host DNA. Once the viral genome is integrated into the host genome, it can be transcribed into RNA by the host enzymes at which point it can reproduce. Since viruses are able to use a broad range of replication mechanisms to reproduce, scientists working on the development of anti-viral drugs need to specifically investigate the individual viruses one by one. Many of the currently used drugs interfere with viral replication, for example the so-called nucleoside analogues which are used against the hepatitis B virus.


Scientists examine the impact of a very specific defect in DNA replication

In certain forms of replication stress, an active checkpoint actually allows cells to divide, causing worse damage than if it were missing entirely. (Illustration/iStock)

USC researchers peering deep inside a living cell have discovered something surprising: Its system for preventing genetic damage linked to diseases can fail so badly that the cell would be better off without it.

It's a paradoxical finding because it challenges the idea that tiny protein guardians of cell division always offer protection, yet the study shows that they can at times allow bad things to happen simply by doing their job too well.

The findings have important implications for treating cancer. In addition, glitches in DNA replication lead to other genetic diseases, including birth defects, autism and neurological impairments. A cell's ability to make new cells is also important to sustain tissues and organs.

"Generally, cells respond to errors during DNA replication by deploying monitoring proteins, called checkpoints, that serve to recognize the problem and stop cell division so that chromosome damage is prevented," said Susan Forsburg, senior author of the study and a Distinguished Professor of Biology at the USC Dornsife College of Letters, Arts and Sciences. "This study makes the unexpected finding that in certain forms of replication stress, an active checkpoint actually allows cells to divide, causing worse damage than if it were missing entirely."

The findings appear in a scientific paper published today in the journal Biología molecular y celular.

Investigating the aftermath of this DNA replication defect

This is fundamental research into the principles of how cells operate, how they divide to form new cells and how built-in molecular checks and balances ensure that cell division occurs correctly. It's the sort of foundation upon which clinicians and translational scientists can find better ways to treat diseases.

"We are interested in how problems in DNA replication lead to bad things for cells and people, including cancer," Forsburg said.

For the study, the scientists used a type of yeast—Schizosaccharomyces pombe—with chromosomes similar to those in humans and that uses the same genes to maintain those chromosomes. It's been proven as an important model for cell division.

"The analogy I use is comparing a Mercedes and a lawnmower," Forsburg said. "If you're trying to understand the basic principles of an internal combustion engine, the lawnmower is a simplified version of the Mercedes engine. The yeast uses the same genes we do, and every gene we study has a human equivalent, with nearly all of them linked to cancer."

In the study, the scientists examined how cells respond to a defect supervised by an important gene called CDS1. It functions like a guardian for the DNA replication process, and it has an analog in humans called CHEK1. As a checkpoint, the gene ensures the DNA is smoothly copied before cell division. Usually, when something goes wrong that hinders DNA replication, the gene stops cells from dividing until they can fix the problem. Otherwise, cells would divide without properly replicated DNA, which has deadly consequences.

Cancer treatments often combine drugs that hinder DNA replication with compounds that block the checkpoint, like a poison pill to drive the tumor cells into a lethal division. This study finds a condition where that poison pill backfires.

"We found that the active checkpoint actually allowed the cells to divide abnormally," Forsburg said. "Unexpectedly, when we deleted the replication checkpoint, the mutant cells didn't divide because another damage control mechanism kicked in to stop the unwanted cell divisions."

Study will lead to better understanding of cells, improved cancer treatments

How can a gene that seeks to help keep the cell healthy mess up so badly that it perpetuates harm to the tissue or organ? In certain instances, it seems the checkpoint gets blindsided and continues doing its job when it would be better if it took the day off.

Forsburg explained: "Our experiments examined a very specific defect in DNA replication, and it appears that this created a perfect storm. The checkpoint didn't know what to do with it. Its best effort to protect the cells actually allowed them to slip into lethal divisions."

The findings help advance understanding of the inner workings of cells and how cancer treatments can be improved. This year, an estimated 1.8 million new cancer cases will be diagnosed and 606,520 cancer deaths will occur in the United States, according to the American Cancer Society.


How DNA is pulled apart

In addition to the hunt for more of the individual factors involved in DNA replication, the DNA synthesis assay allowed researchers to study the properties of DNA synthesis. As scientists around the globe began to study DNA polymerase and DNA replication, they knew that the semi-conservative model of DNA replication, as proven by Meselson and Stahl, requires that the two original template strands of DNA are pulled apart in order to be copied separately. However, it was not known how this happens. Scientists had observed that the two strands of DNA are held very tightly together by the hydrogen bonds between complementary nucleotide base-pairs of the two strands. In the laboratory, the only way the two strands could be separated was by heating the DNA to near-boiling temperatures. Obviously, it is not likely that living cells generate high heat in order to pry apart the two strands of DNA, so the question remained, "Inside a living cell, what pulls apart the two original strands of DNA so that they may be copied?"

Figura 3: DNA synthesis begins at many locations. DNA replication begins at specific chromosomal locations called orígenes de la replicación. Linear chromosomes have many origins, allowing DNA synthesis to occur rapidly.

Because double-stranded DNA is very stable, scientists suspected that there must be an elaborate mechanism for pulling the two strands apart. Two research groups, including Arthur Kornberg's, discovered the answer in the late 1970s: an enzyme they named DNA helicase. This enzyme is capable of prying the two strands of DNA apart so that the two individual strands can then serve as templates for DNA polymerase, according to the semi-conservative model.

It turns out, however, that when helicase first pries apart a section of DNA, it does not start at the end of the molecule in the case of linear DNA, nor does it select a place at random. The initial "melting" of DNA occurs at specific locations, called origins of DNA replication. Each of these creates a bulge in the DNA double helix that is visible by electron microscopy. These bulges are called replication bubbles and represent sites of DNA synthesis (Figure 3).

When a replication bubble opens up and DNA synthesis begins, replication proceeds in both directions, away from the origin. A DNA helicase enzyme leads the way, unzipping the parental DNA as replication proceeds in its wake. Both of these mobile regions of DNA synthesis are referred to as horquillas de replicación, which are the sites at which the replication of DNA is executed (Figure 4).

Figure 4: The replication fork. Following formation of a replication bubble, DNA synthesis proceeds in both directions, away from the original origin. A replication fork is the site in which the two parental DNA strands are being pried apart and DNA replication is taking place.

Replication bubbles are bulges in the DNA helix that indicate


Materiales y métodos

Well-mixed model simulations

Each model simulation allows the reconstruction of the full replication kinetics during one S-phase. Chromosome initial replication state is described by the distribution of p-oris along each chromosomes. Para Xenopus embryo, p-ori positions are randomly determined at the beginning of each simulation following two possible scenarios:

For the uniform distribution scenario, L ρ 0 origins are randomly positions in the segment [ 0 , L ] , where ρ 0 is the average density of potential origins and L the total length of DNA.

For the periodic distribution scenario, exactly one origin is positioned in every non-overlapping 1 / ρ 0 long segment. Within each segment, the position of the origin is chosen randomly in order to avoid spurious synchronization effects.

For yeast, the p-ori positions are identical in each S-phase simulations and correspond to experimentally determined positions reported in OriDB (Siow et al., 2012). The simulation starts with a fixed number N D T of firing factors that are progressively made available as described in Results. At every time step t = n d t , each free firing factor (available factors not bound to an active replication fork) has a probability to fire one of the N p − o r i ( t ) p-oris at unreplicated loci given by:

A random number is generated, and if it is inferior to this probability, an unreplicated p-ori is chosen at random, two diverging forks are created at this locus and the number of free firing factors decreases by 1. Finally, every fork is propagated by a length v d t resulting in an increase amount of DNA marked as replicated and possibly to the passivation of some p-oris. If two forks meet they are removed and the number of free firing factors increases by 1. Forks that reach the end of a chromosome are discarded. The numbers of firing events ( N f i r e d ( t ) ), origin passivations, free firing factors ( N F D ( t ) ) and unreplicated p-oris ( N p − ori ( t ) ) as well as the length of unreplicated DNA ( L u n r e p D N A ( t ) ) are recorded allowing the computation of I S ( t ) (Eq. (1)), the normalized density of p-oris ( ρ p − ori ( t ) ) / ρ 0 ), the normalized number of free firing factors ( N F D ( t ) / N F D ∗ ( t ) ) and the ratio between the number of origin passivations and activations. Simulation ends when all DNA has been replicated, which define the replication time.

3D model simulations

Replication kinetics simulation for the 3D model follows the same steps as in the well-mixed model except that the probability that a free firing factor activates an unreplicated p-ori depends on their distance d obtained from a molecular dynamic simulation performed in parallel to the replication kinetics simulation. We used HOOMD-blue (Anderson et al., 2008) with parameters similar to the ones previously considered in Arbona et al. (2017) to simulate chromosome conformation dynamics and free firing factor diffusion within a spherical nucleus of volume V N . The details of the interaction between the diffusing firing factors and the p-oris is illustrated in Figure 2—figure supplement 1. Given a capture radius r c set to two coarse grained chromatin monomer radiuses, when a free firing factor is within the capture volume V c = 4 3 π r c 3 around an unreplicated p-ori ( d < r c ), it can activate the origin with a probability p . In order to have a similar firing activity as in the well-mixed model, r c and p were chosen so that p V c / V N takes a value comparable to the k o n values used in the well-mixed simulations.

For each set of parameters of the well-mixed and 3D models, we reported the mean curves obtained over a number of independent simulations large enough so that the noisy fluctuations of the mean I S ( t ) are small compared to the average bell-shaped curve. The complete set of parameters for each simulation series is provided in Supplementary file 1. The scripts used to extract yeast I ( t ) from the experimental data of Alvino et al. (2007) can be found here https://github.com/ jeammimi/ifromprof/blob/master/notebooks/exploratory/Alvino_WT.ipynb (yeast in normal growth conditions) and here https://github.com/jeammimi/ifromprof/blob/master/notebooks/exploratory/Alvino_H.ipynb (yeast grown grown in Hydroxyurea) (Arbona and Goldar, 2018). A copy is archived at https://github.com/elifesciences-publications/ifromprof.


Ver el vídeo: # 13 replicacion del ADN bioquimica II (Noviembre 2022).