Har Gobind Khorana, hijo de un escribiente fiscal de una aldea del Punyab, ayudó a completar el código genético, construyó en 1970 un gen de 77 pares de bases y compartió el Premio Nobel de 1968

Har Gobind Khorana compartió el Premio Nobel de Fisiología o Medicina de 1968 con Marshall Nirenberg y Robert Holley «por su interpretación del código genético y de su función en la síntesis de proteínas», en palabras de la Fundación Nobel. Su parte fue la química. Construyó moléculas de ADN y ARN letra por letra, en una secuencia elegida por él, y las usó para leer el significado de las palabras de tres letras del código. Nació en una aldea del Punyab de unos 100 habitantes, en una familia que era, según sus propias palabras, prácticamente la única que sabía leer allí.

Dos años después del premio su laboratorio anunció la primera síntesis química de un gen, según la biografía de la Academia Nacional de Ciencias escrita por Phillip Sharp y Uttam RajBhandary: 77 pares de bases de ADN bicatenario, montados a partir de piezas cortas hechas por química. El portal científico de la India lo llama el científico indio que descifró el código genético, y el Gobierno de la India le concedió el Padma Vibhushan en 1969.

Qué es el código, y qué faltaba en 1961

El ADN y el ARN se escriben con cuatro letras. Un grupo de tres letras, un codón, le dice a la célula qué aminoácido añadir a continuación cuando construye una proteína, y hay 64 grupos posibles. Según el portal de ciencia y tecnología de la India, las cuatro bases fijan el orden de los 20 aminoácidos de las proteínas. Leer el código significa rellenar una tabla de 64 entradas.

La primera entrada llegó en 1961, cuando Marshall Nirenberg y Heinrich Matthaei dieron a un extracto bacteriano libre de células un ARN formado solo por uracilo, y este construyó una cadena formada solo por el aminoácido fenilalanina. El discurso de presentación del Nobel dice que Nirenberg dio a conocer sus primeros resultados en agosto de 1961. Rellenar los otros 63 exigía ARN con letras elegidas en un orden conocido, y en 1961 la química solo podía fabricar unas pocas unidades de ARN a la vez.

Khorana llevaba años con ese problema. El discurso de presentación dice que todos los detalles del código quedaron establecidos menos de cinco años después del primer informe de Nirenberg, «principalmente a partir del trabajo de Nirenberg y Khorana». La lectura del ADN a gran escala en la propia India se cuenta en GenomeIndia, el proyecto que secuenció a 10.074 personas.

Una aldea de unos 100 habitantes

La autobiografía de Khorana para el Nobel da como lugar de nacimiento Raipur, una aldea del Punyab que hoy está en Pakistán, y dice que no se conoce la fecha exacta de su nacimiento, aunque los documentos indican el 9 de enero de 1922. El portal de ciencia y tecnología de la India y un artículo de 2022 de The Wire Science dan en cambio Multan, la ciudad donde fue al colegio. Este artículo sigue su propia nota.

Menor de cinco hermanos, cuatro varones y una mujer, Khorana tenía un padre que era patwari, un escribiente de aldea que evaluaba el impuesto agrícola bajo el dominio británico. En casa el dinero escaseaba, dice la biografía del Nobel, pero su padre estaba decidido a educar a los hijos. Los demás habitantes de Raipur eran todos musulmanes, añade la biografía de la Academia, y la suya era la única familia hindú.

Fue al DAV High School de Multan, donde lo influyó un profesor llamado Ratan Lal, y a la universidad en la Universidad del Punyab, en Lahore. Una beca, una licenciatura en química en 1943 y un máster en 1945 siguen en el relato de la biografía. Mahan Singh, a quien la nota del Nobel llama gran maestro y experimentador preciso, dirigió allí su trabajo.

La Partición llegó en agosto de 1947, cuando él ya se había ido a Inglaterra. Raipur pasó a formar parte de Pakistán, y la biografía dice que la familia se trasladó a la India como refugiada, y algunos de sus miembros se asentaron cerca de Nueva Delhi. El trasfondo político está en el relato de la Línea Radcliffe.

Liverpool, Zúrich, Cambridge y Vancouver

Una beca del Gobierno de la India lo llevó a la Universidad de Liverpool en 1945. Patrocinada por el Ministerio de Agricultura y pensada para trabajar en insecticidas y fungicidas, llegó cuando los veteranos de guerra que regresaban habían dejado pocas plazas universitarias, dice la biografía. Roger Beer, del departamento de química, dirigió su investigación, y Khorana se doctoró en 1948.

Siguió un año posdoctoral, de 1948 a 1949, en el Instituto Federal Suizo de Tecnología de Zúrich. Khorana se presentó ante Vladimir Prelog sin cartas de recomendación ni de presentación, dice la biografía, y Prelog lo aceptó. Parte del atractivo era el idioma, pues mucha de la literatura química estaba en alemán, y un artículo alemán que leyó allí, sobre un reactivo llamado carbodiimida, tuvo un papel central en buena parte de su investigación posterior. La búsqueda de un puesto en la India en 1949 no tuvo éxito, informa la biografía, y se abrió en cambio una plaza en el laboratorio de Alexander Todd en Cambridge, donde estuvo desde diciembre de 1949.

En Cambridge descubrió que la diciclohexilcarbodiimida, uno de esos reactivos, podía acoplar ésteres de fosfato formando pirofosfatos, una reacción de interés central en el laboratorio de Todd. Los métodos con carbodiimida le permitieron más tarde fabricar fragmentos de ADN y ARN con una secuencia definida, dice la biografía. En 1952 Gordon Shrum le ofreció un puesto en el British Columbia Research Council de Vancouver, donde, en palabras de Shrum citadas en la autobiografía del Nobel, había «toda la libertad del mundo». Ese mismo año se casó con Esther Elizabeth Sibler. Arthur Kornberg y Paul Berg, también después premios Nobel, visitaron el laboratorio de Vancouver para aprender sus métodos, dice la biografía.

La Universidad de Wisconsin en Madison lo contrató en 1960 como uno de los tres codirectores de su Instituto de Investigación de Enzimas, y se nacionalizó ciudadano de Estados Unidos.

Patrones repetidos, 64 tripletes y un resultado sin excepciones

El método, tal como lo describe su discurso Nobel, partía de piezas cortas de ADN hechas por química, cada una un patrón repetido de dos, tres o cuatro letras. La ADN polimerasa, una enzima que copia el ADN, las alargaba entre 50 y 200 veces. Una segunda enzima, la ARN polimerasa, copiaba entonces una hebra en ARN, todavía con su patrón repetido. Ese ARN pasaba a un extracto libre de células de la bacteria Escherichia coli, y se analizaban las cadenas de proteína resultantes.

Dos letras que se repetían alternadas daban una proteína con dos aminoácidos alternados. El ejemplo de la conferencia es un ARN de U y C alternadas, que producía serina y leucina, pero el experimento por sí solo no podía decir si el codón UCU significaba serina y CUC leucina o al revés. Nirenberg y Philip Leder habían ideado una segunda prueba, que preguntaba qué portador de aminoácido se adhiere al ribosoma, la fábrica de proteínas de la célula, cuando está presente una pieza concreta de tres letras. El grupo de Khorana sintetizó para ella los 64 trinucleótidos, dice la conferencia. Khorana escribió también que la prueba «no ha resultado ser totalmente fiable», de modo que la tabla final salió de combinarla con los polímeros repetidos y con el trabajo de otros laboratorios.

En la conferencia, Khorana informa de que las predicciones sacadas de los polímeros repetidos se cumplieron «sin una sola excepción» y llama a los años de 1963 a 1967 un período de éxito esencialmente ininterrumpido. La biografía resume el resultado. Todo codón es un triplete, 61 de los 64 representan aminoácidos, y los otros tres, UAG, UAA y UGA, ordenan a la célula que se detenga. El equipo de Nirenberg y otros aportaron otras partes de la tabla, y cada uno de los tres premiados recibió una tercera parte del premio. En el discurso de presentación, el profesor P Reichard, del Instituto Karolinska, dijo: «Buena parte del trabajo final lo hizo Khorana». Añadió que los ácidos nucleicos sintéticos de Khorana fueron un requisito para la solución final.

Otra historia de la biografía se refiere a la mañana del anuncio. Khorana había ido a trabajar a una cabaña alquilada junto a un lago, sin radio ni televisión, y Esther fue en coche a decírselo. En la celebración en el laboratorio ese día habló con dos colegas de su siguiente objetivo, la síntesis química de un gen.

Un gen de 77 pares de bases en 1970, y el que funcionaba del todo

El objetivo era el gen del ARN de transferencia de alanina de la levadura, un ARN pequeño que lleva aminoácidos al ribosoma. Según la biografía, se eligió porque en 1965 era el único producto génico cuya secuencia se conocía, obra de Holley. Dos enzimas halladas a mediados de los años sesenta, la polinucleótido quinasa y la ADN ligasa, permitieron al equipo preparar piezas cortas de cinco a veinte unidades, alinearlas sobre sus compañeras complementarias y sellar las uniones.

Nature publicó el artículo el 4 de julio de 1970, con los nombres de 13 autores. Su resumen dice que segmentos sintetizados químicamente se combinaron en un ADN bicatenario correspondiente al gen del primer ARNt caracterizado. Su longitud era de 77 pares de bases, afirma la biografía, y trece artículos detallados llenaron un número entero del Journal of Molecular Biology en 1972.

Sharp y RajBhandary distinguen esto de un gen de ARNt plenamente activo «con todas las secuencias necesarias para su expresión», que según ellos se completó en 1979. El artículo de Science del 16 de febrero de 1979 describe el trabajo: un ADN de 126 nucleótidos para un precursor de un ARNt supresor de tirosina de E. coli, completado con secuencias de control hasta un total que el resumen da como 207 pares de bases y la biografía como 208. Según el resumen, el gen se transcribió en un tubo de ensayo y mostró actividad en células vivas como supresor de una señal de parada. La necrológica del MIT y la Universidad de Wisconsin fechan en 1976 el primer gen plenamente funcional en una célula viva, y la biografía anota que doce artículos consecutivos de un número de 1976 del Journal of Biological Chemistry precedieron al resumen de 1979.

El MIT lo contrató en 1970, y ocupó la cátedra Alfred P. Sloan de biología y química hasta su jubilación en 2007. Sharp y RajBhandary sostienen que el trabajo con genes fue parte de la base de los métodos de ADN recombinante de mediados de los años setenta. Señalan además un artículo de 1970 de su grupo de Wisconsin que describe un ciclo de calentar un dúplex de ADN, añadir cebadores y polimerasa y repetir, que, dicen, parece en retrospectiva muy cercano a la reacción en cadena de la polimerasa que Kary Mullis y sus colegas describieron en 1985.

Rodopsina, y genes para las proteínas que detectan la luz

Desde mediados de los años setenta, dice el portal científico de la India, Khorana se volvió hacia las proteínas de membrana, empezando por la bacteriorrodopsina, que bombea protones usando la luz, y luego la rodopsina, la proteína de la retina que detecta la luz. La biografía dice que demostró que la bacteriorrodopsina podía desplegarse por completo y plegarse de nuevo hasta una forma activa, lo que permitió a los investigadores probar el efecto de cambios en un solo aminoácido. Llama a la rodopsina un prototipo de los receptores acoplados a proteínas G, una familia de unos 750 genes en los humanos.

La habilidad para construir genes siguió dando frutos. Llegaron los informes: un gen sintético de 1.057 pares de bases para la rodopsina bovina, unido a partir de 72 piezas químicas, en PNAS en febrero de 1986, y un gen de 757 pares de bases para la bacterio-opsina, la parte proteica de la bacteriorrodopsina, en el Journal of Biological Chemistry en julio de 1987. Cada uno se diseñó con sitios de restricción espaciados de manera uniforme, lugares donde se puede cambiar un tramo corto para producir una mutación elegida.

Honores, y un programa que lleva su nombre

El archivo de nominaciones de la Fundación Nobel enumera 15 nominaciones de Khorana entre 1963 y 1974, todas en química; ganó en medicina. La necrológica del MIT enumera el Premio Louisa Gross Horwitz y el Premio Lasker de Investigación Médica Básica, ambos en 1968, la Medalla Willard Gibbs en 1974, el premio Gairdner en 1980 y el premio Paul Kayser en 1987. Fue elegido miembro de la Academia Nacional de Ciencias en 1966, según la biografía. Sobre otro Nobel científico que nació en un laboratorio indio, véase CV Raman y el efecto que lleva su nombre.

Khorana murió por causas naturales en Concord, Massachusetts, el 9 de noviembre de 2011, a los 89 años, informó el MIT. Su colega RajBhandary dijo al MIT que «con lo bueno que era, fue una de las personas más modestas que he conocido».

El Programa Khorana lo crearon en 2007 Aseem Ansari y Kenneth Shapiro en la Universidad de Wisconsin-Madison, informa la facultad de agricultura de la universidad, para intercambiar estudiantes entre instituciones indias seleccionadas y Wisconsin. En el verano de 2008 colocó a 14 estudiantes indios de grado en laboratorios de Wisconsin durante diez semanas: diez de cinco IIT, dos de la Universidad Musulmana de Aligarh, uno de la Universidad Jawaharlal Nehru y uno de la Universidad Agrícola del Punyab, según la propia actualización del programa. La página del Foro Indo-Estadounidense de Ciencia y Tecnología lo describe como dirigido junto con el Departamento de Biotecnología de la India y WINStep Forward, con estancias de 10 a 12 semanas que cubren el billete de avión, una asignación y un seguro médico.