La historia de la biología molecular comienza en la década de 1930 con la convergencia de varias disciplinas biológicas y físicas anteriormente distintas: bioquímica, genética, microbiología, virología y física. Con la esperanza de comprender la vida en su nivel más fundamental, numerosos físicos y químicos se interesaron también por lo que se convertiría en la biología molecular.
En su sentido moderno, la biología molecular intenta explicar los fenómenos de la vida a partir de las propiedades macromoleculares que los generan. Dos categorías de macromoléculas en particular son el centro de atención del biólogo molecular 1) los ácidos nucleicos, entre los cuales el más famoso es el ácido desoxirribonucleico (o ADN), constituyente de los genes, y 2) las proteínas, que son los agentes activos de los organismos vivos. Por tanto, una definición del ámbito de la biología molecular consiste en caracterizar la estructura, la función y las relaciones entre estos dos tipos de macromoléculas. Esta definición relativamente limitada bastará para permitirnos establecer una fecha para la llamada "revolución molecular", o al menos para establecer una cronología de sus desarrollos más fundamentales.
Visión general En sus primeras manifestaciones, la biología molecular —el nombre fue acuñado por Warren Weaver de la Fundación Rockefeller en 1938— era una idea de explicaciones físicas y químicas de la vida, más que una disciplina coherente. Tras la llegada de la teoría mendeliana de la herencia en la década de 1910 y la maduración de la teoría atómica y la mecánica cuántica en la década de 1920, esas explicaciones parecían estar al alcance de la mano. Weaver y otros alentaron (y financiaron) la investigación en la intersección de la biología, la química y la física, mientras que destacados físicos como Niels Bohr y Erwin Schrödinger se dedicaron a la especulación biológica. Sin embargo, en las décadas de 1930 y 1940 no estaba nada claro qué investigación interdisciplinar daría sus frutos, si es que lo hacía; los trabajos en química de coloides, biofísica y biología de la radiación, cristalografía y otros campos emergentes parecían prometedores.
En 1940, George Beadle y Edward Tatum demostraron la existencia de una relación precisa entre los genes y las proteínas. En el transcurso de sus experimentos que relacionaban la genética con la bioquímica, cambiaron el pilar de la genética, la Drosophila, por un organismo modelo más apropiado, el hongo Neurospora; la construcción y explotación de nuevos organismos modelo se convertiría en un tema recurrente en el desarrollo de la biología molecular. En 1944, Oswald Avery, trabajando en el Instituto Rockefeller de Nueva York, demostró que los genes están formados por ADN (véase el experimento Avery-MacLeod-McCarty). En 1952, Alfred Hershey y Martha Chase confirmaron que el material genético del bacteriófago, el virus que infecta a las bacterias, está formado por ADNHershey, A.D. and Chase, M. (1952) "Independent functions of viral protein and nucleic acid in growth of bacteriophage" J Gen Physiol. (véase el experimento Hershey-Chase). En 1953, James Watson y Francis Crick descubrieron la estructura de doble hélice de la molécula de ADN basándose en los descubrimientos de Rosalind Franklin. En 1961, François Jacob y Jacques Monod demostraron que los productos de ciertos genes regulaban la expresión de otros genes actuando sobre sitios específicos en el borde de los mismos. También plantearon la hipótesis de la existencia de un intermediario entre el ADN y sus productos proteicos, al que llamaron ARN mensajero. Entre 1961 y 1965 se determinó la relación entre la información contenida en el ADN y la estructura de las proteínas: existe un código, el código genético, que crea una correspondencia entre la sucesión de nucleótidos en la secuencia del ADN y una serie de aminoácidos en las proteínas.
Los principales descubrimientos de la biología molecular se produjeron en un periodo de sólo unos veinticinco años. Hicieron falta otros quince años para que nuevas y más sofisticadas tecnologías, reunidas hoy bajo el nombre de ingeniería genética, permitieran aislar y caracterizar los genes, en particular los de los organismos altamente complejos.
La exploración del dominio molecular Si evaluamos la revolución molecular en el contexto de la historia de la biología, es fácil observar que es la culminación de un largo proceso que comenzó con las primeras observaciones a través del microscopio. El objetivo de estos primeros investigadores era comprender el funcionamiento de los organismos vivos describiendo su organización a nivel microscópico. Desde finales del , la caracterización de las moléculas químicas que componen los seres vivos fue cobrando cada vez más protagonismo, junto con el nacimiento de la química fisiológica en el , desarrollada por el químico alemán Justus von Liebig, y tras el nacimiento de la bioquímica a principios del XX, gracias a otro químico alemán Eduard Buchner. Entre las moléculas estudiadas por los químicos y las minúsculas estructuras visibles al microscopio óptico, como el núcleo celular o los cromosomas, existía una zona oscura, "el mundo de las dimensiones ignoradas", como lo llamó el químico-físico Wolfgang Ostwald. Este mundo está poblado por coloides, compuestos químicos cuya estructura y propiedades no estaban bien definidas.
Los éxitos de la biología molecular derivaron de la exploración de ese mundo desconocido mediante las nuevas tecnologías desarrolladas por químicos y físicos: difracción de rayos X, microscopía electrónica, ultracentrifugación y electroforesis. Estos estudios revelaron la estructura y la función de las macromoléculas.
Un hito en ese proceso fue el trabajo de Linus Pauling en 1949, que por primera vez vinculó la mutación genética específica de los pacientes con anemia falciforme a un cambio demostrado en una proteína individual, la hemoglobina de los eritrocitos de los individuos heterocigotos u homocigotos.
El encuentro entre bioquímica y genética El desarrollo de la biología molecular es también el encuentro de dos disciplinas que han progresado considerablemente en el transcurso de los primeros treinta años del : la bioquímica y la genética. La primera estudia la estructura y la función de las moléculas que componen los seres vivos. Entre 1900 y 1940 se describieron los procesos centrales del metabolismo: el proceso de digestión y la absorción de los elementos nutritivos derivados de la alimentación, como los azúcares. Cada uno de estos procesos está catalizado por una enzima determinada. Las enzimas son proteínas, como los anticuerpos presentes en la sangre o las proteínas responsables de la contracción muscular. En consecuencia, el estudio de las proteínas, de su estructura y síntesis, se convirtió en uno de los principales objetivos de los bioquímicos.
La segunda disciplina de la biología que se desarrolló a principios del es la genética. Tras el redescubrimiento de las leyes de Mendel a través de los estudios de Hugo de Vries, Carl Correns y Erich von Tschermak en 1900, esta ciencia comenzó a tomar forma gracias a la adopción por Thomas Hunt Morgan, en 1910, de un organismo modelo para los estudios genéticos, la famosa mosca de la fruta (Drosophila melanogaster). Poco después, Morgan demostró que los genes están localizados en los cromosomas. Tras este descubrimiento, continuó trabajando con Drosophila y, junto con otros numerosos grupos de investigación, confirmó la importancia del gen en la vida y el desarrollo de los organismos. Sin embargo, la naturaleza química de los genes y sus mecanismos de acción seguían siendo un misterio. Los biólogos moleculares se dedicaron a determinar la estructura y a describir las complejas relaciones entre los genes y las proteínas.
El desarrollo de la biología molecular no fue sólo el fruto de una especie de "necesidad" intrínseca en la historia de las ideas, sino que fue un fenómeno característicamente histórico, con todas sus incógnitas, imponderables y contingencias: los notables desarrollos de la física a principios del pusieron de manifiesto el relativo retraso en el desarrollo de la biología, que se convirtió en la "nueva frontera" en la búsqueda del conocimiento del mundo empírico. Además, los desarrollos de la teoría de la información y de la cibernética en los años 40, en respuesta a las exigencias militares, aportaron a la nueva biología un número importante de ideas fértiles y, sobre todo, de metáforas.
La elección de las bacterias y de su virus, el bacteriófago, como modelos para el estudio de los mecanismos fundamentales de la vida fue casi natural -son los organismos vivos más pequeños que se conocen- y al mismo tiempo fruto de decisiones individuales. Este modelo debe su éxito, sobre todo, a la fama y el sentido de la organización de Max Delbrück, un físico alemán, que fue capaz de crear un dinámico grupo de investigación, con sede en Estados Unidos, cuyo ámbito exclusivo era el estudio de los bacteriófagos: el grupo de los fagos.
El panorama geográfico de los desarrollos de la nueva biología estaba condicionado sobre todo por los trabajos precedentes. Los Estados Unidos, donde la genética se había desarrollado más rápidamente, y el Reino Unido, donde coexistían tanto la genética como la investigación bioquímica de niveles muy avanzados, estaban en la vanguardia. Alemania, cuna de las revoluciones en física, con las mejores mentes y los laboratorios de genética más avanzados del mundo, debería haber tenido un papel primordial en el desarrollo de la biología molecular. Pero la historia decidió otra cosa: la llegada de los nazis en 1933 -y, en menor grado, la rigidización de las medidas totalitarias en la Italia fascista- provocó la emigración de un gran número de científicos judíos y no judíos. La mayoría de ellos huyeron a Estados Unidos o al Reino Unido, lo que supuso un impulso adicional al dinamismo científico de esas naciones. Estos movimientos acabaron por hacer de la biología molecular una ciencia verdaderamente internacional desde sus inicios.
Historia de la bioquímica del ADN El estudio del ADN es una parte central de la biología molecular.
Primer aislamiento de ADN En el , los bioquímicos aislaron inicialmente el ADN y el ARN (mezclados) de los núcleos celulares. Apreciaron con relativa rapidez la naturaleza polimérica de sus aislamientos de "ácido nucleico", pero sólo se dieron cuenta más tarde de que los nucleótidos eran de dos tipos: uno que contenía ribosa y otro desoxirribosa. Fue este descubrimiento posterior el que condujo a la identificación y denominación del ADN como una sustancia distinta del ARN.
Friedrich Miescher (1844-1895) descubrió en 1869 una sustancia que llamó "nucleína". Algo más tarde, aisló una muestra pura del material que ahora se conoce como ADN a partir del esperma del salmón, y en 1889 su alumno, Richard Altmann, lo denominó "ácido nucleico". Se descubrió que esta sustancia sólo existía en los cromosomas.
En 1919, Phoebus Levene, del Instituto Rockefeller, identificó los componentes (las cuatro bases, el azúcar y la cadena de fosfatos) y demostró que los componentes del ADN estaban unidos en el orden fosfato-azúcar-base. Llamó a cada una de estas unidades un nucleótido y sugirió que la molécula de ADN estaba formada por una cadena de unidades de nucleótidos unidas entre sí a través de los grupos fosfato, que son la "columna vertebral" de la molécula. Sin embargo, Levene pensaba que la cadena era corta y que las bases se repetían en el mismo orden fijo. Torbjörn Caspersson y Einar Hammersten demostraron que el ADN era un polímero.
Cromosomas y rasgos hereditarios