Biología molecular: ¿en qué consiste esta disciplina?

La biología molecular, junto con la bioquímica y la genética, establece una serie de relaciones interdisciplinares esenciales para la obtención de conocimiento científico. Te contamos sus fundamentos y sus prácticas más utilizadas.

Escrito y verificado por el biólogo Samuel Antonio Sánchez Amador.

Última actualización: 13 noviembre, 2020

La biología molecular es una disciplina científica dentro de la biología que se encarga de estudiar los procesos que se desarrollan en los seres vivos desde un punto de vista molecular. Es decir, la parte más pequeña de una sustancia química que conserva sus propiedades.

El Proyecto Genoma Humano, puesto en marcha para cartografiar todos los genes de nuestra especie, aporta la siguiente definición de la biología molecular: «El estudio de la estructura, función y composición de las moléculas biológicamente importantes».

De moléculas va la cosa. Nos adentramos en un mundo desconocido para muchos, entre términos apasionantes que basan sus fundamentos, en la mayoría de los casos, en conceptos abstractos invisibles al ojo humano.

Las dos macromoléculas de la vida

Según la revista Nature, la biología molecular, más que una herramienta es un enfoque, el que tiene como meta buscar más allá de las manifestaciones biológicas observables a gran escala. Para ello, los biólogos moleculares se basan en el estudio de dos macromoléculas esenciales. Te las contamos a continuación.

ADN

El ADN o ácido desoxirribonucleico es la macromolécula de la vida, pues en su interior contiene las instrucciones genéticas usadas en el desarrollo y crecimiento de todos los organismos vivos. También es la responsable de la transmisión hereditaria o, lo que es lo mismo, la evolución de las especies a lo largo del tiempo.

Podemos ver el ADN como una suerte de «biblioteca», pues dentro de él se asocian en un orden determinado los nucleótidos. Estas subunidades, unidas por enlaces fosfodiéster, dan lugar a la cadena de ADN individual. Esta cadena, entrelazada con otra de forma antiparalela, forma la doble hélice.

A su vez, cada nucleótido contiene una base nitrogenada que le otorga su nombre. Estas pueden ser las siguientes: adenina (A), guanina (G), citosina (C) y, en el caso del ADN, timina (T). El orden de las bases nitrogenadas en la cadena de ADN genera «frases» diferentes, las que codifican las proteínas que dan lugar a la estructura y funcionamiento de los organismos.

Proteínas

Cambiamos un poco de tercio, pues la segunda macromolécula en la que se basa la biología molecular es la proteína. Las proteínas están formadas por aminoácidos, los que se encuentran codificados en las «frases» que se forman cada tres pares de bases del ADN. Pongamos un ejemplo:

CCA→ citosina (C), citosina (C), adenina (A)→ Prolina

Así pues, el segmento del ADN con los nucleótidos ordenados de forma CCA codificará para la síntesis del aminoácido prolina. Mediante la transcripción y la traducción —procesos que se escapan a las competencias de este espacio—, el ARN permite transportar las instrucciones del ADN a los ribosomas, donde se ensamblan las proteínas.

Así pues, las proteínas son polímeros formados por una asociación de aminoácidos en un orden concreto. Su función es estructural, biorreguladora y de defensa inmune. Como dato interesante, diremos que las proteínas representan alrededor del 50 % del peso en seco de la mayoría de nuestros tejidos.

Disciplinas científicas aliadas

Ya hemos descrito las dos moléculas de estudio principales de la genética molecular, pero ¿qué otras disciplinas le acompañan en la búsqueda de conocimiento? Te las mostramos.

Bioquímica

La bioquímica es una rama de la ciencia que estudia la composición química de los seres vivos, en especial las proteínas, carbohidratos, lípidos y ácidos nucleicos. A diferencia de la biología molecular, se centra más en los procesos metabólicos que estos compuestos sufren en los cuerpos de los seres vivos.

Un ejemplo de esto sería la descripción de la síntesis de glucosa a partir de glucógeno. Esta ciencia se encarga de investigar las enzimas implicadas en este proceso y todos los productos intermedios que posibilitan la reacción completa. Por así decirlo, «mapea» el metabolismo de los seres vivos.

Genética

Cuando está el ADN de por medio en el estudio de cualquier ámbito científico, la genética es requerida. La disciplina trata de comprender cómo se transmite la herencia biológica de generación en generación mediante el ADN. Intenta predecir cómo las mutaciones, los genes individuales y sus interacciones afectan al fenotipo de los seres vivos.

Características de la biología molecular

Ya hemos descrito las dos macromoléculas de estudio y las dos ramas de la ciencia accesoria que ayudan a la biología molecular a obtener el conocimiento sobre el que se fundamenta. Aún así, nos queda encuadrar de una forma más tangible qué es lo que realmente hacen los profesionales en esta materia. Veamos algunos ejemplos:

• Investigar junto con la genética: la estructura, funcionamiento y regulación que ejercen los genes sobre el organismo.
• Estudiar las estructuras: de los corpúsculos celulares y sus funciones dentro de cada tipo celular: mitocondrias, núcleo, ribosomas y demás.
• Investigar junto con la bioquímica: la cinética y composición de las enzimas.
• Estudiar la composición detallada de determinadas moléculas: en distintas especies de seres vivos. Conocimiento que sirve de apoyo a la rama de la filogenética.
• Explicar el comportamiento biológico de las macromoléculas dentro de la célula: por consiguiente, describir las funciones fisiológicas de un ser vivo en base a este conocimiento molecular.

Esta joven ciencia, acunada como una disciplina científica oficial en los años treinta, está en expansión y continuo crecimiento. Los nuevos métodos de investigación nos permiten, cada vez más, describir procesos subyacentes invisibles al ojo humano. Desde luego, la labor de la biología molecular no ha hecho más que empezar.

Principales técnicas de la biología molecular

Hemos asentado las bases, pero nos queda toda la práctica: toca lanzarse al terreno de las técnicas y herramientas que posibilitan la obtención de todo este conocimiento. A continuación te presentamos las técnicas principales que utiliza la biología molecular.

1. Electroforesis

Según el National Human Genome Research Institute (NIH), la electroforesis se define como una técnica que se utiliza en el laboratorio para separar el ADN, ARN o proteínas en base a su tamaño y carga eléctrica.

La mayoría de moléculas están cargadas eléctricamente y, por ello, se mueven en un campo eléctrico a determinada velocidad.  Al aplicar una corriente eléctrica a estas muestras, situadas en un papel o un gel, se produce una clara separación. Las moléculas más pequeñas avanzan más rápido por el medio al polo que las atrae, mientras que las más grandes se quedan atrás.

Esta diferencia de velocidad a través de la porosidad del gel o papel permite a los científicos observar una serie de bandas en el medio que aportan información relevante. Por ejemplo, se puede averiguar el tamaño de segmentos de ADN desconocidos si se tiene un patrón de bandas previo.

2. PCR

La reina de las técnicas. Conocida como reacción en cadena de la polimerasa, la PCR permite a los investigadores amplificar fragmentos muy pequeños de ADN. Es decir, realizar un gran número de copias de un segmento concreto en poco tiempo.

Esto puede ayudar, por ejemplo, a realizar el diagnóstico de una enfermedad. Si se encuentra material genético de un virus en una muestra de un paciente, al ser este amplificado se podrá detectar mucho más fácil mediante otras técnicas posteriores.

3. Alteración de propiedades genéticas

Por sorprendente que pueda parecer, la biología molecular ha permitido a los seres humanos introducir nuevos genes en células de organismos que no los presentarían. Esto, por ejemplo, deja a los investigadores conocer cómo la expresión de un gen afecta al organismo o crear una factoría de una proteína, la que se encuentra codificada por el gen introducido.

Este es el caso de la insulina, pues se introdujo el gen que la codificaba en los seres humanos en una cepa de E. coli y, desde aquí, se pudo realizar la producción de la hormona en masa, gracias a estas bacterias modificadas para las personas diabéticas.

Algunas aplicaciones prácticas de la biología molecular

El recorrido por la biología molecular terminará en algunas aplicaciones prácticas en diversas industrias de uso humano. La empresa IBIAN Technologies nos muestra utilidades de esta ciencia de forma clara y concisa. Aquí van algunos ejemplos:

• Creación de plantas transgénicas: las que pueden ser resistentes a ciertas enfermedades, mostrar mayor adaptabilidad ante ambientes inclementes o tener un valor nutricional potenciado.
• Crecimiento acelerado: de algunas especies de interés agropecuario.
• Mejoras genéticas en cepas bacterianas: que hacen que sinteticen aminoácidos, vitaminas, vacunas y una amplia cantidad de compuestos de uso humano.
• Producción de fármacos: más efectivos que, a su vez, presentan menos efectos adversos.

Como podemos ver, el conocimiento de la biología molecular no se queda en el papel. Conocer el comportamiento biológico de las moléculas dentro de las células ha permitido al ser humano modificar algunos procesos clave en diversos seres vivos, lo que se traduce en un beneficio médico y económico.

El futuro está en las manos de la ciencia

Tal y como hemos querido expresar en estas líneas, nos queda claro que la biología molecular, junto con muchas otras disciplinas científicas, es el futuro de la ciencia. Mediante el estudio del ADN, las proteínas y otras moléculas, esta rama de la biología ha supuesto y supondrá muchos avances clave para la mejoría de la sociedad moderna.

El concepto más relevante de todo lo expuesto es el siguiente: la biología molecular es un enfoque que trata de describir los procesos fisiológicos de los seres vivos en base a las moléculas que los forman. A partir de aquí, el límite es el cielo o, en este caso, el propio genoma.