La Enciclopedia del Proyecto Embrión

La hipótesis de un gen-una enzima, propuesta por George Wells Beadle en EE.UU. en 1941, es la teoría de que cada gen produce directamente una sola enzima, que en consecuencia afecta a un paso individual en una vía metabólica. En 1941, Beadle demostró que un gen de la mosca de la fruta controlaba una única reacción química específica en la mosca de la fruta, que era controlada por una enzima. En la década de 1950, la teoría de que los genes producen enzimas que controlan un único paso metabólico fue bautizada como la hipótesis de un gen-una enzima por Norman Horowitz, profesor del Instituto Tecnológico de California (Caltech) y colaborador de Beadle. Este concepto ayudó a los investigadores a caracterizar los genes como moléculas químicas, y les ayudó a identificar las funciones de esas moléculas.

Los tres científicos que participaron en el desarrollo de la teoría de un gen-una enzima fueron Boris Ephrussi, Edward Lawrie Tatum y Beadle, pero como Beadle participó en todos los experimentos que condujeron a la construcción de la teoría, los demás concedieron que Beadle desempeñó el papel más significativo en su creación. Ephrussi trabajaba en el Instituto de Biología Físico-Química de París (Francia) y estudiaba los genes de la mosca de la fruta Drosophila melanogaster. Conoció a Beadle, que trabajaba en el Caltech de Pasadena (California) tras recibir una beca Rockefeller en 1930 que le permitió investigar allí de 1934 a 1935. En el Caltech, Beadle y Ephrussi estudiaron los factores genéticos de la pigmentación de los ojos en Drosophila melanogaster.

En el Caltech, Beadle y Ephrussi experimentaron con moscas de la fruta mutantes desde 1934 hasta 1937. En un intento de explicar el color de los ojos de las moscas a través de componentes genéticos, Beadle y Ephrussi transfirieron tejidos larvales que normalmente se convertirían en ojos adultos de un embrión larvario a otro embrión y registraron los resultados. Utilizando veintiséis mutantes que tenían colores de ojos diferentes entre sí, Beadle y Ephrussi trasplantaron tejido ocular de una mosca de cada tipo de mutante a la región abdominal de una mosca de la fruta de tipo salvaje, o normal. En todos los casos, excepto en dos, los ojos trasplantados en el abdomen se desarrollaron con el color de los ojos del mutante. Así, las larvas tenían ojos normales y el ojo abdominal vestigial trasplantado. Este resultado sugería que eran los genes de las larvas en las células de los tejidos trasplantados, y no el entorno de los tejidos de las larvas, los que daban lugar al color mutante de los ojos.

Las dos excepciones implicaban a larvas de mosca que desarrollaban el color de ojos bermellón (v) y cinabrio (cn), colores que se alejaban de las mutaciones del color normal de los ojos, el marrón. Cuando los tejidos de estos mutantes se trasplantaron al tipo salvaje, el tejido ocular trasplantado se convirtió en el color de ojos del tipo salvaje, en lugar del respectivo color mutante. Beadle y Ephrussi dedujeron de estos resultados que alguna sustancia se difundía en el tejido de la larva mutante desde el tejido circundante del huésped, lo que conducía al desarrollo del color normal del ojo del tipo salvaje. Su hipótesis era que los factores bermellón y cinabrio de tipo salvaje eran genes que codificaban enzimas necesarias para la producción de sustancias capaces de provocar el desarrollo del ojo de tipo salvaje. Por lo tanto, aunque la idea de un gen-una enzima sólo se hizo popular después de los experimentos de Beadle y Tatum en Neurospora, la teoría se originó en los ensayos previos de Beadle y Ephrussi con Drosophila.

Después de que Ephrussi dejara Caltech en 1935, Beadle trabajó con Edward Tatum en la Universidad de Stanford en Palo Alto, California, en 1937. Beadle y Tatum trabajaron para determinar cómo los genes regulaban exactamente las enzimas y controlaban las reacciones bioquímicas. Antes de esta época, pocos investigadores en Estados Unidos buscaban las causas genéticas de las reacciones químicas, y el campo de la bioquímica se había desarrollado en gran medida en un contexto médico, mientras que la genética se había desarrollado en el contexto agrícola. Para dilucidar el mecanismo de funcionamiento de los genes y profundizar en las cuestiones derivadas de los experimentos con Drosophila, Beadle y Tatum se centraron en el moho rojo del pan Neurospora crassa. Entre 1937 y 1945, ambos publicaron juntos una serie de trabajos.

Beadle y Tatum crearon primero mutantes de Neurospora irradiando a esta con rayos X. Posteriormente germinaron esporas sexuales en tubos de un medio completo, o entorno físico, que contenía aminoácidos, vitaminas y otras sustancias orgánicas. A continuación, transfirieron la Neurospora a tubos de un medio mínimo, que carecía de algunos de los nutrientes que la Neurospora necesitaba para sobrevivir. Beadle y Tatum volvieron a examinar los mutantes de Neurospora que no crecían en el segundo medio mínimo para determinar si se habían inducido o no nuevos requisitos de factores de crecimiento. En casi todos los casos en los que un mutante era incapaz de sobrevivir en el medio mínimo, Beadle y Tatum remediaron la incapacidad de crecimiento añadiendo un producto químico concreto -una vitamina o un aminoácido específico- al medio. Los resultados sugirieron que estas sustancias químicas, que eran productos de genes, eran necesarias para que los genes codificaran una enzima requerida en una vía bioquímica. En 1941 Beadle y Tatum publicaron sus resultados en «Control genético de las reacciones bioquímicas en Neurospora», en el que Beadle propuso la hipótesis de un gen-una enzima.

La información obtenida de los experimentos en Neurospora confirmó lo que Beadle había presenciado en Drosophila cuando trabajó con Ephrussi. Confirmó que un gen especificaba la acción de una sola vía bioquímica, o un paso en un conjunto de reacciones, y que esto se hacía mediante la producción de una enzima específica. Beadle y Tatum recibieron el Premio Nobel de Fisiología o Medicina en 1958 por su trabajo en la Neurospora y por demostrar que los genes regulaban los procesos químicos.

La hipótesis se modificó tras varios estudios, entre ellos el de Vernon Ingram, que trabajaba en el Instituto Tecnológico de Massachusetts, en Cambridge (Massachusetts). En 1957, Ingram demostró que algunos genes daban cuenta de cadenas polipeptídicas únicas de una proteína compuesta por múltiples cadenas. Posteriormente, la idea fue bautizada como la hipótesis de un gen-un polipéptido, después de que una mayor investigación del fenómeno llevara a los científicos a concluir que los genes especifican realmente los productos proteicos.