Entrades amb l'etiqueta ‘adn’

Negociació, informació i restriccions

dijous, 9/11/2017

Si dic que portem la negociació als gens, estic fent una afirmació que és molt més certa del que podem arribar a pensar. Perquè de fet som un pacte: el pacte que va resultar d’un sofisticat mecanisme que va involucrar l’ADN de la nostra mare i el del nostre pare.

Tots sabem que l’ADN és el contenidor de la informació genètica que explica els nostres trets, físics i fins i tot de caràcter. L’ADN humà es troba repartit en 23 parells de cromosomes, que contenen gens amb cadenes de nucleòtids. El que no és tan conegut, però, és el mecanisme de transmissió genètica de pares a fills. Quasi totes les nostres cèl·lules són diploides i contenen dues “versions” de cada cromosoma. Les úniques que no ho són, però, són les cèl·lules sexuals o gàmetes, que contenen una única còpia de cada cromosoma. El mecanisme de divisió cel·lular que produeix cèl·lules sexuals a partir de les diploides s’anomena meiosi.

L’interessant de tot plegat és que aquestes dues “versions” de cada cromosoma que tenim a totes les nostres cèl·lules excepte les sexuals, són directament una “petjada” de cada un dels nostres dos pares. Dit d’una altra manera, la meitat del nostre ADN ve directament de la nostra mare (sense cap modificació), i l’altra meitat, del nostre pare. Tal vegada els nostres pares ja han mort, però dins nostre, a cada una de les nostres cèl·lules, continuem tenint part del pare i part de la mare, en una coexistència que perdura fins la nostra desaparició. Les dues “versions” de cada cromosoma que tenim a cada un dels 23 parells no són més que els gens i nucleòtids que van aportar un i altre en el moment de la fecundació (vegeu la nota al final). La fecundació no barreja, només conserva el que li arriba d’una i altra banda.

El pacte genètic que ens va crear va ser fruit d’una negociació que no podia ser més neta i justa. Com que cap dels nostres progenitors podia imposar la seva marca genètica, i com que és clar que la informació genètica dels fills no pot ser més gran que la de cada un dels dos pares, tots dos van començar renunciant a la meitat de la informació dels seus nucleòtids. L’evolució ha construït un mecanisme de reproducció que comença cedint, de manera que cada progenitor renuncia a la meitat de la seva informació genètica (vegeu un cop més la nota al final). Com que la informació genètica no pot créixer constantment (aquesta és la restricció inherent als mecanismes reproductius), la negociació genètica ha d’assolir un pacte en base a la renúncia de la meitat del que tenen un i altre. Aquesta pàgina web mostra una animació, de la qual he obtingut la imatge de dalt, que ho explica gràficament.

El resultat d’aquest mecanisme que ha anat refinant l’evolució durant milions d’anys és extraordinari. La quantitat d’informació genètica es manté constant al llarg de les generacions (és de l’ordre de tres mil milions de nucleòtids o, el que és el mateix, 3 milions de kilo-bases) amb un sistema reproductiu que assegura aquesta restricció en base a un admirable i robust mecanisme de pacte. Som fruit de la cooperació, amb un ADN que sap cedir. Desconeixem els orígens de la vida, però és probable que alguns dels primers organismes no volguessin pactar la seva informació genètica. Si van existir, eren petits éssers vius que volien guanyar sense cedir ni pactar. Però ja no hi són, no en queda cap.

És sorprenent que els humans no tinguem aquesta capacitat de cedir que sí que tenen les nostres cèl·lules. Ni som conscients dels límits i restriccions, ni, quan parlem i discutim, som massa propensos a deixar de banda part del que volem. En paísos amb cultura democràtica recent, com el nostre, la paraula “vèncer” és més atractiva que “cedir” o “negociar”, i competir és més encisador que cooperar. Però, mentre les espècies animals i vegetals són força estables i van evolucionant lentament, la condició humana i les ganes de guanyar estan incrementant de manera molt preocupant i quasi suicida les desigualtats al món. Com bé diu l’Eudald Carbonell, encara som a l’era de la pre-humanització. I el repte és cada cop més urgent, si no volem desaparèixer com a espècie. La supervivència, al segle XXI, en un món on ja no podem conquerir més terres, en aquesta nau espacial Terra on som, implica gestionar bé, dialogar, respectar els drets humans, i no pensar més en vèncer. Si aconseguim sobreviure, ens anirem humanitzant a mesura que aprenem a escoltar i a usar únicament la negociació i les eines democràtiques per a resoldre els conflictes.

———
Per cert, l’Alfred de Zayas, en un informe de l’oficina de l’Alt Comissionat de l’ONU pels Drets Humans, demana a les autoritats espanyoles que es posin a negociar amb els líders catalans. Diu que l’única solució democràtica a l’impasse actual és suspendre les mesures repressives i organitzar un referèndum per determinar els veritables desitjos de la població afectada. Referèndum que diu que hauria de ser supervisat per la UE, l’OCDE i observadors privats, inclòs el Centre Carter.

———

NOTA: Pensem en un qualsevol dels 23 parells de cromosomes, per exemple el primer. La meva mare té el parell que anomenaré (M1m, M1p) de manera que el cromosoma M1m (amb tots els seus gens i nucleòtids) ve directament de la meva àvia materna i el M1p és del meu avi matern. D’altra banda, aquest primer parell del meu pare el podríem anomenar (P1m, P1p) de tal manera que el cromosoma P1m ve directament de la meva àvia paterna i el P1p és del meu avi patern. Cada cop que es genera un òvul, aquest passa a tenir un únic cromosoma O1 a partir de la barreja, en part aleatòria, del material genètic de M1m i M1p. L’òvul, en lloc de 23 parells de cromosomes (46 cromosomes en total), només té 23 cromosomes O1… O23. I, cada cop que es crea un espermatozoide, aquest passa a tenir un únic cromosoma E1 a partir de la barreja, en part aleatòria, del material genètic de P1m i P1p. L’espermatozoide, en lloc de tenir 46 cromosomes agrupats en 23 parells, només té 23 cromosomes E1… E23. Els nostres 23 parells de cromosomes són (O1, E1), (O2, E2), … (O23, E23). Cada un d’ells conté informació directa de la meva mare (que a la seva vegada, és el resultat d’una negociació genètica entre els dos cromosomes corresponents dels meus avis materns) i informació directa del meu pare que prové de la barreja d’informació dels meus avis paterns.

Els bits que construeixen

dimecres, 3/09/2014

La llista de laboratoris del MIT és del més suggeridora. Per posar només dos exemples, els laboratoris del MIT inclouen el d’automuntatge (Self-Assembly Lab) i el laboratori de bits i àtoms, dirigit per Neil Gershenfeld. Des de fa 16 anys, Gershenfeld dóna un curs sobre com fabricar quasi qualsevol cosa. Quan els estudiants li pregunten per a què serveix el que aprendran al curs, ell diu que no els servirà per a construir el que ja pots trobar a les botigues, sinó per fer-te allò que no hi pots trobar. Neil Gershenfeld va crear la xarxa de “Fab Labs juntament amb Bakhtiar Mikhak, per a oferir eines de fabricació personalitzada a tothom.

La informació és cada cop més intangible i etèria. Fa 30 anys, el que teclejàvem a les màquines d’escriure quedava immediatament reflectit en el paper i no era fàcil esborrar-ho. Ara, el que escrivim queda codificat en bits que es poden volatilitzar si no guardem el que estem veient en pantalla. Tenim moltíssima informació a les targetes Micro SD de només 11 per 17 mil·límetres dels nostres mòbils, i l’enviem de manera invisible per internet a través de xarxes Wifi. Si la nostra retina fos sensible a d’altres freqüències electromagnètiques, veuríem l’aire ple de l’eixam de colors, ara invisibles, dels bits tots els Whatts Apps i missatges que ens estem enviant.

Però els ordinadors no només creen i treballen amb bits. Tenen dispositius que converteixen els bits en matèria. És el que fan les impressores que tenim a casa i a la feina. Els algorismes d’impressió reben documents codificats en bits, i converteixen aquests bits en puntets de tinta ben distribuïts sobre el paper 2D: lletres de diferents tipus, taules i gràfics, fotografies. Les impressores són constructores de símbols i dibuixos, màquines que converteixen bits en àtoms de tinta sobre el paper. Les impressores en paper són un primer exemple, senzill i quotidià, del concepte que hi ha darrera del centre de bits i àtoms del MIT.

Seguint aquesta mateixa idea, les impressores 3D, fa uns vint anys, van fer el salt del 2D al 3D, el pas de les dues a les tres dimensions. El principi d’una impressora 3D no és massa diferent del d’una impressora 2D sobre paper. Si penseu que en lloc de tinta utilitzem un material que anem dipositant sobre el paper en capes molt fines, la zona que anem imprimint anirà agafant gruix i acabarà essent tridimensional. La màgia de les impressores 3D és que ens “solidifiquen” el que imaginem i creem amb els ordinadors. Fabriquen i construeixen a partir de bits. La imatge de dalt, d’aquesta web, ens mostra l’esquema d’una de les tecnologies d’impressió 3D existents. El sistema conté una cubeta horitzontal plena de pols de plàstic o de metall i un raig làser que escombra aquelles zones de pols que volem convertir en una de les capes del nostre objecte. La calor del làser solidifica la capa de pols en aquestes zones (per sinterització en el cas de pols de metall o per polimerització quan el pols és de plàstic). Un cop ja acabada aquesta capa de l’objecte, un full de reomplert recorre tota la cubeta de banda a banda tot cobrint-la amb una nova capa ben fina de pols net. El procés es va repetint, les noves capes es van soldant a les anteriors, i l’objecte va apareixent enmig del pols no solidificat. Imagineu-vos que en vostre ordinador teniu una aplicació de disseny digital 3D, i que, amb paciència, feu una petita estàtua, una peça o un senzill objecte de decoració. El resultat és intangible, és la forma que heu esculpit codificada en bits. Però els algorismes geomètrics d’una impressora 3D li fan una seqüència de talls virtuals (de manera idèntica a com si tallessin un embotit), calculen la forma geomètrica de cada un d’aquests talls, i generen les comandes adequades per a que el làser solidifiqui la corresponent capa de pols amb una forma exactament igual a la del tall virtual del model que hem creat. L’objecte virtual es construeix físicament amb algorismes que fan que el làser segueixi la forma dels talls virtuals, capa a capa.

El que estan fent ara els investigadors del MIT és el següent salt, del 3D al 4D. Es tracta de construir peces amb materials que codifiquen el temps. Ho explica l’Skylar Tibbits, director del laboratori d’automuntatge del MIT, en aquest vídeo TED, que també podeu trobar en aquesta pàgina web. Tot plegat és fruit d’un projecte de recerca conjunt entre Stratasys i el MIT. A la part final del vídeo, per exemple, podeu veure una cadena programada per a transformar-se en dos cubs. Les baules de la cadena semblen iguals, però no ho són. La impressora 3D que les va fabricar, les va fer amb materials lleugerament diferents i així, algunes baules tenen codificat que hauran de girar d’una determinada manera, mentre que d’altres “saben” que hauran de girar de manera diferent. És una idea que canviarà moltes coses, els propers anys. En els nous programes de disseny per ordinador, haurem de pensar i crear tant la forma com el comportament. Les peces que dissenyem tindran informació associada sobre què han de fer per a autoacoblar-se amb les peces veïnes. Tot plegat ho guardarem en fitxers que contindran bits de forma 3D i bits de comportament. El làser de les impressores 3D esculpirà la forma mentre anirà codificant el comportament que haurem programat en les diferents propietats del material de cada una de les partícules que es van solidificant. Segons explica Skylar Tibbits en el vídeo, la tecnologia d’impressió 4D requereix haver codificat la sequència d’acoblatge per a després programar de manera local el material de cada peça, que esdevenen algorismes sòlids. A més, val a dir que també cal energia per a l’automuntatge i algun sistema d’autocorrecció d’errors. Hi ha moltes maneres de fer-ho. Per exemple, la tecnologia “Stratasys Connex utilitza aigua per a subministrar l’energia necessària per a l’automuntatge. Tot plegat sembla ciència-ficció, i la veritat és que encara som a les basseroles. Però no és una idea massa estranya. Skylar Tibbits ens recorda que és el que ja fan les proteïnes i l’ADN: es comporten de determinades maneres que ja tenen autoprogramades.

Els bits que comanden les impressores en paper són els que ara ja expliquen tot tipus de formes tridimensionals a les impressores 3D i els que ben aviat construiran formes que sabran adaptar-se, connectar-se i construir assemblatges, sistemes dinàmics i màquines. Seran bits que codificaran i explicaran formes, temps i processos a les impressores 4D. Us imagineu el kit d’un moble que, quan obriu la caixa, s’autoconstrueix sense cap intervenció nostra?

Per cert, Bàrbara Schmitt, portaveu de la Institució Altempordanesa per a la Defensa i Estudi de la Natura (IAEDEN) acusa el Govern de fer una “llei a mida” perquè El Bulli Foundation de Ferran Adrià es pugui construir a la cala Montjoi, al mig del Parc Natural del Cap de Creus. Aquesta denúncia és també a la plataforma Change.org.

El rastre de més de 4500 anys

dijous, 31/07/2014

Gens_4500_AnysEl nostre ADN conté gens i trossets d’ADN dels nostres avantpassats. Els portem en totes i cada una de les nostres cèl·lules. Ja ho deia en Richard Dawkins: nosaltres morim, però els nostres gens ens sobreviuen. Són l’herència més valuosa que passem als nostres fills i néts.

De totes maneres, si ho pensem una mica veurem que no és del tot cert, això que tots els nostres gens ens sobreviuen. Cada procés de fecundació humana crea un nou ADN, singular i genuí, tot aprofitant fragments d’ADN del pare i de la mare. Però com que finalment, l’ADN de tota persona acaba tenint la mateixa llargada que la del dels seus pares, és clar que a cada fecundació només es pot aprofitar la meitat del genoma. Cada cop que tenim un fill li passem la meitat del genoma, però també és cert que els pares que tenen un únic fill o filla perden l’altre meitat del seu genoma. Aquest percentatge decreix quan es tenen més fills, però evidentment mai arriba a ser nul. Alguns dels nostres gens ens sobreviuran, però no tots. És el que podríem anomenar el pacte biològic de la fecundació. La meitat de la informació genètica dels pares passa als fills mentre que l’altra meitat es perd irremissiblement.

En el nostre ADN podem trobar la meitat de la informació genètica dels pares. Com que el procés es repeteix a cada fecundació, és clar que el nostre genoma conté fragments de l’ADN dels nostres avis, subfragments del dels nostres besavis, i així successivament. En el cas de poblacions tancades on tots els aparellaments es fan entre persones amb genomes similars, aquests subfragments no són fàcils de distingir. Però en el cas de parelles interètniques amb perfils genètics molt diferenciats, l’estudi genètic dels seus descendents permet detectar els fragments originals d’ADN dels dos membres de la parella inicial, com podeu veure a la imatge de dalt (que també trobareu en aquesta web). El nostre ADN és una cadena de trossets del genoma de tots els nostres avantpassats. Encara que el procés és aleatori, en mitjana tenim una quarta part del genoma de cada un dels nostres quatre avis i una vuitena part del de cada un dels nostres besavis. En termes tècnics, l’esperança matemàtica de la part d’ADN que prové de qualsevol dels nostres quatre avis és del 25%. Portem un immens arbre genealògic en els nostres cromosomes.

Justament això és el que han estudiat els investigadors del projecte internacional que vol obtenir el mapa de la història genètica humana i que inclou grups de recerca anglesos i alemanys. Els seus primers resultats han estat publicats fa pocs mesos a la revista Science. La imatge de dalt és d’una de les pàgines web explicatives del projecte. Els resultats són espectaculars, com podeu veure en aquest mapa interactiu (aquí teniu les explicacions dels autors). El treball es basa en l’anàlisi del genoma de 1490 persones vives, de 95 regions diferents del planeta. Cada un dels 1490 genomes ha estat caracteritzat amb mig milió de marcadors genètics, que subministren una molt acurada informació amb 500.000 dades per persona i que permeten identificar els fragments cada cop més petits de l’ADN ancestral.

Amb una adequada anàlisi estadística, els investigadors han pogut arribar a detectar fragments d’ADN de fa 160 generacions, i han pogut estimar el moment històric dels creuaments interètnics en base a la distribució estadística de les mides d’aquests fragments. Considerant una mitjana de 28 anys per generació, estem parlant de quasi 4500 anys. La tècnica publicada a Science és com un microscopi genètic que observa la petjada que tots els avantpassats ens han anat deixant en el nostre ADN. Som literalment una barreja de tots els qui ens han precedit, i ara tenim eines per a llegir-ne el rastre, que portem dins nostre.

Només un exemple. Segons un dels resultats del projecte, l’ADN de l’ètnia xinesa “Tu” conté fragments que indiquen que fa uns 800 anys es van creuar amb europeus de perfil genètic similar al dels actuals grecs. Les dates coincideixen amb les de les expedicions de la ruta de la seda.

Per cert, Pedro Olalla diu que moltes vegades han estat les dones les qui han tret als homes del marasme total.

La bellesa de la simplicitat (2): l’ADN

divendres, 15/02/2013

ADN_Fil.jpg L’àcid desoxiribonucleic (ADN) és el fonament de la vida. L’ADN conté les instruccions genètiques necessàries per al desenvolupament de tots els éssers vius coneguts. Les molècules d’ADN codifiquen receptes per a poder fabricar les proteïnes i altres components de les cèl·lules. Podríem dir que l’ADN és un manual d’instruccions gegant, el manual del creixement i de la vida.

Vivim en un univers tridimensional. Fins i tot pot ser que tingui altres dimensions extres que no podem percebre. Podem caminar per la Terra, baixar al fons dels oceans i enviar naus que exploren l’Univers. Però la química de la vida utilitza i treu profit de les avantatges de les estructures geomètriques senzilles. Els intercanvis de nutrients, a les cèl·lules i als nostres budells, es fan a través de membranes bidimensionals. I una de les teories actuals sobre l’origen de la vida al nostre planeta ens explica que el primer ADN i els primers éssers vivents van poder aparèixer en les superficies (bidimensionals) de contacte entre l’aigua de mar i les roques en zones termals del fons dels oceans, on les molècules dissoltes en l’aigua podien reaccionar amb els materials de la superfície de les roques en unes condicions adequades de temperatura.

L’ADN té una estructura ben coneguda, de doble hèlix. Però de fet, és pràcticament unidimensional. És una molècula increïblement llarga, en comparació amb el gruix de la seva hèlix. Quan l’ADN dels cromosomes es desplega, pren la forma de filaments com el de la imatge amb longituds d’escala macroscòpica d’uns quants mil·límetres. El microscopi electrònic ens permet veure, descobrir i analitzar aquests filaments. L’hèlix de l’ADN se’ns mostra com unes vies de tren amb un gir de torsió continuat i fins i tot amb travesses. Són les vies del tren de la vida.

Perquè és unidimensional i seqüencial, el nostre codi genètic? Per què parlem de la seqüenciació del genoma humà? Per què l’ADN té aquesta estructura amb dues vies llarguíssimes i perfectament torçades en forma d’hèlix? Perquè aquesta molècula que guarda les instruccions de la vida no té forma de membrana bidimensional o d’agregat tridimensional? Per què cada un dels codis genètics individuals té un únic predecessor i un únic successor, en l’ADN? Podríem pensar que té aquesta forma perquè és la que serveix millor els seus objectius. Jo més aviat penso que és a l’inrevés: té aquesta forma perquè no en pot tenir cap altra. Si l’atzar no hagués generat aquesta increïble molècula, no existirien les reaccions bioquímiques i nosaltres no seriem aquí.

En poques paraules i simplificant, la síntesi de proteïnes a partir del codi genètic guardat a l’ADN es fa en dues etapes. En una primera fase, uns enzims anomenats polimerases d’ARN llegeixen trossos d’ADN i generen l’ARN, l’àcid ribonucleic. L’ARN (molècula d’hèlix simple que conté la transcripció d’un segment d’ADN) serà l’encarregat de la síntesi de proteïnes, en una segona fase. La meravella de tot plegat és que les polimerases d’ARN  han de cercar el tros d’ADN que cal transcriure i tot seguit anar-lo copiant sense destruir ni alterar la informació genètica de l’ADN. Ho fan molt fàcilment gràcies a l’estructura unidimensional de l’ADN: les polimerases d’ARN es mouen al llarg de les vies de l’hèlix de l’ADN de la mateixa manera que un tren viatja damunt les seves vies. Ho podeu veure a la imatge del final d’aquest article i en aquest vídeo. Si l’ADN fos bidimensional o tridimensional, seria molt fàcil perdre’s. En canvi, les vies de l’ADN porten les polimerases d’ARN al seu objectiu sense possibilitats d’error. Un camí pot ser tan llarg com vulgueu, però si no té trencalls no ens podem perdre. Això és el que contínuament està passant al nucli de les nostres cèl·lules. Però no penseu pas que polimerases d’ARN es mouen a gran velocitat al llarg de l’ADN. Processen (i avancen) uns 15 codis d’ADN per segon, la qual cosa equival a la velocitat de creixement d’un cabell humà. Aquesta és la velocitat basal del creixement i de la síntesi de proteïnes a tots els éssers vius. De fet, és encara més lenta perquè les polimerases d’ARN incorporen un sorprenent control de qualitat. De tant en tant (en mitjana, un cop cada 1000 codis genètics) s’adonen que han comés un error de transcripció. En aquest cas s’aturen, tornen enrere uns cinc o sis codis d’ADN, rectifiquen i corregeixen la transcripció. Tot seguit tornen a avançar per les vies helicoïdals de l’ADN, com si res no hagués passat. No és realment sorprenent?

De fet, també hi ha un altre detall interessant en tot això. L’hèlix de l’ADN podríem dir que gira cap a la dreta. El primer ADN que es va sintetitzar, fa milions d’anys, girava a la dreta. Es va anar reproduint sense parar, i ara resulta que tots els éssers vius tenim el codi genètic en molècules de ADN que giren a la dreta. Nosaltres, els gossos i gats, els insectes, els líquens i els bacteris, tots som descendents d’aquell primer ADN que girava a la dreta. Però la geometria ens diu que la imatge en el mirall de l’ADN és un “altre ADN” que també podria existir. Aquest altre ADN, l’ADN que giraria a l’esquerra (l’estèreo-isòmer del nostre ADN) donaria lloc a un altre tipus d’éssers vius: els animals i plantes del món de l’altra banda del mirall del conte d’Alícia. Podrem arribar a sintetitzar éssers “vius” amb molècules d’ADN diferents de les nostres? No penseu que és res de llunyà. Comencem a veure experiments que ja poden crear succedanis d’ADN com l’anomenat XNA.

L’Univers és tridimensional (com a mínim). Però molts canvis s’han fet o es faran gràcies a estructures geomètriques més simples, unidimensionals o bidimensionals. Són les anomenades varietats, en geometria. Així com el grafè (aquest gran llençol d’un àtom de gruix) és probable que acabi canviant la vida dels nostres néts, nosaltres som aquí perquè fa milions d’anys que van sorgir les primeres molècules d’ADN, amb estructura geomètrica unidimensional. És la bellesa de la simplicitat. Sense aquestes retorçades vies de l’ADN, copiar trossos del codi genètic seria pràcticament impossible i la vida no podria existir.
ADN_ARN.jpg