Así como la serie Star Trek tuvo su Nueva Generación, la tecnología para leer el ADN y ARN (ácidos desoxirribonucleicos y ácido ribonucleico) de los seres vivos también se encuentra en su “Nueva Generación”. El ADN y el ARN contienen la información genética que es necesaria para construir un ser vivo. La posibilidad de leer esa información para luego manipularla le permitió a la biología entrar en “Velocidad Warp” y lograr una cantidad de desarrollos impresionantes, entre ellos la concreción del proyecto Genoma Humano, básicamente la lectura de todo el ADN del ser humano.
Por: Ramiro E. Llovera – Dr. en Bioquímica (UBA) – Trabaja en el CONICET de La Plata
Este logro impresionante se alcanzó utilizando la “primera generación” de la tecnología para “leer” o mejor dicho; secuenciar el ADN. El ADN está compuesto de cuatro tipos de moléculas, llamadas bases nitrogenadas: Adenina (A), Guanina (G), Timina (T) y Citosina (C), en el ARN el Uracilo (U) reemplaza a la T. La secuenciación implica determinar el orden en que esas moléculas se encuentran en el ADN de los seres vivos. Las células hacen este proceso todo el tiempo en realidad, tanto para reproducirse como para ejecutar sus funciones biológicas. La clave inicial estuvo en entender cómo hacen las células para leer y copiar su propio ADN.
El equivalente al Capitán Kirk para la lectura del ADN sería el Bioquímico inglés, Frederick Sanger, dos veces ganador del Premio Nobel de Química (una de las cuatro únicas personas en el mundo con esa distinción). Sanger desarrolló en 1977 el método químico que permite leer la secuencia de las bases nitrogenadas. Para eso se aprovechó de los avances en el conocimiento de cómo los seres vivos leen y copian el ADN y tuvo la brillante idea de darle a un virus (un organismo que prácticamente no es otra cosa que una máquina de copiar ADN), versiones “defectuosas” de las moléculas de A, G, T y C. Con estas moléculas defectuosas lo que ocurre es que el virus no puede seguir copiando el ADN y se traba cuando quiere usar una molécula “trucha”. Con lo cuál, lo que se obtiene es una gran mezcla de moléculas de ADN truncado, como si fueran libros mal impresos, algunos con una sola letra, otros con dos, otros con tres, etc. El siguiente paso consiste en separar los libros por la cantidad de letras, en el caso del ADN esta técnica se denomina electroforesis. Al separar los libros por la cantidad de letras podemos, por ejemplo, ver que solo cuando al virus le dimos la A adulterada la impresión se trabó en la primera letra, solo cuando le damos la C trucha el libro quedó con 2 letras y solo cuando le dimos T falsa se crearon libros truncados en la tercera letra. De esto podemos concluir que el original del libro decía ACT…
Frederick Sanger en 1973
Este logro impresionante solo permitía obtener la secuencia de unos pocos virus, porque como ya dijimos, los virus no hacen prácticamente otra cosa que copiar ADN, pero no era una aproximación válida para secuenciar el ADN de organismos más complejos. El salto siguiente llegó en 1986 de mano de Kary Mullis y Michael Smith (ambos ganadores del Premio Nobel de Química) con el desarrollo de la PCR (Reacción en Cadena de la Polimerasa). La PCR, para decirlo en forma resumida, no sería más que tomar la máquina de copiar de ADN de un ser vivo, aislarla y hacerla funcionar en un tubo de ensayo. Pero ahora podemos separar la máquina de copiar ADN del propio ADN, con lo cuál podemos secuenciar el ADN de otros organismos. Ahora podemos copiar y transcribir libros de otros autores, no sólo los del dueño de la “imprenta”.
Con la PCR junto al método de Sanger se pudieron empezar a leer los ADN de todos los seres vivos. Además, la PCR, como se hace en un tubo, permite obtener grandes cantidades de ADN, no sólo para leerlo, sino para manipularlo, cortar y pegar; no es casualidad que a los pocos años estuviésemos leyendo o viendo Jurassic Park… pero eso es otra historia.
La PCR y la secuenciación de Sanger pusieron a la biología en velocidad Warp 1, por decirlo de alguna manera. Pero desde mediados de la década del 2000 empezaron a aparecer nuevas tecnologías que hicieron que la cantidad de ADN que podamos leer simultáneamente aumente de modo exponencial. Durante 20 años viajamos en Warp 1 y en los últimos 10 años subimos a Warp 10.
Describir todas estas tecnologías excede por mucho el alcance de este modesto artículo, pero podemos resumirlas en dos grandes vertientes: En una, más cercana desde el punto de vista químico a la secuenciación de Sanger se usan ahora derivados de las bases nitrogenadas pero fluorescentes, con 4 o 5 colores distintos), láseres y cámaras y sobre todo software de análisis de imágenes con una capacidad asombrosa, que permiten ir mirando el cambio de color del ADN a medida que crece. Ese cambio de color se asocia a la última base nitrogenada que se haya unido al mismo, de esa manera podemos ir “leyendo” su secuencia.
La otra vertiente se basa en medir la minúscula corriente eléctrica que se libera cuando una base nitrogenada se une al ADN que se está copiando. Si, suena ciencia ficción. Es como si pudiésemos escuchar el ruido que hace la imprenta al apoyar el molde de una A sobre el papel en blanco, luego escuchar el ruido de la C, y poder distinguirlos.
Pero lo realmente increíble de esta tecnología no es sólo el cambio del método por el cual se lee el ADN, si no que la tecnología ha avanzado tanto que podemos leer y copiar no uno, ni diez libros a la vez, hoy por hoy se está pudiendo leer cientos de millones de libros simultáneamente. El Proyecto Genoma Humano abarcó docenas de instituciones y años de trabajo (además de cientos de millones de dólares). 20 años después podemos secuenciar el equivalente al genoma humano completo en una tarde, con un aparatito del tamaño de un celular y por unos miles de dólares.
Eso no es todo. Si se acopla esta tecnología a otras, como las que permiten separar células individuales, lo que obtenemos es un herramienta que nos permite obtener la secuencia de todo el ADN y/o del ARN de cientos, miles o incluso millones de células individuales de un organismo. En el caso del ARN se va aún más allá. Todos los organismos tienen siempre dos copias de ADN, pero del ARN puede haber entre ninguna a miles de copias. La cantidad de copias que hay de ARN de los distintos genes también es información muy valiosa, ya que indica qué tan activo o inactivo se encuentra ese gen en esa célula en particular. Con estas tecnologías podemos no sólo secuenciar, ¡Sino también saber cuantas copias del original había!
Incluso mientras escribo esto, y siendo alguien que trabaja justamente en este tema, me sigue pareciendo magia. Esta información permite distinguir el tipo y función de cada célula individual dentro de un órgano. Por ejemplo, el Instituto Allen de Seattle en EEUU se abocó a realizar esta tarea para el cerebro. Poseen una base de datos de más de 4 millones de células, cada una con más de treinta mil genes, varias copias de cada gen en forma de ARN y cada gen puede tener miles de bases nitrogenadas.
La tecnología de secuenciación avanzó tanto que se encontró con un cuello de botella; el análisis y almacenamiento de los datos. Cada tanda de secuenciación masiva (se llama así) genera cientos de terabytes de información digital que no sólo hay que almacenar, sino también procesar y lo más importante; interpretar. Se necesitan supercomputadores para el procesamiento inicial de los datos e incluso la información ya procesada requiere computadoras muy potentes. Pero lo más crítico es que el volumen de información es tal, que la comunidad científica aún no generó un consenso o estándar sobre cómo interpretarla. Hoy por hoy nos encontramos en esta etapa. Pero dentro de poco, cuando podamos analizar fácilmente la información que nos otorga la secuenciación masiva de nueva generación, y correlacionarla con la información clásica que viene de la anatomía y fisiología, podemos estar en presencia de otro salto de velocidad Warp en la biología y la medicina.
Sos muy groso.