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La importancia de la ciencia básica: ¿cómo se inventó la PCR?

Por Carlos Pedrós-Alió y Mar Gulis (CSIC)*

En las últimas semanas la prueba PCR (siglas en inglés de ‘Reacción en Cadena de la Polimerasa’) se ha hecho muy popular como herramienta para el diagnóstico del coronavirus SARS-CoV-2. Sin embargo, esta técnica se lleva utilizando desde finales del siglo pasado en laboratorios de todo el mundo para localizar y amplificar fragmentos de material genético con un enorme éxito. Sin ella, por ejemplo, no habrían sido posibles la secuenciación del genoma humano, las pruebas de paternidad, muchos desarrollos de la medicina forense o la identificación de víctimas de la guerra civil española enterradas en fosas comunes.

Lo que aún menos personas saben es que la PCR tiene una historia impredecible, como tantas en ciencia, que comienza hace más de 50 años con un organismo tan exótico como poco prometedor.

Thomas D. Brock tomando muestras de tapetes microbianos en Yellowstone. / T. D. Brock.

En septiembre de 1966 Thomas D. Brock estaba en el Parque Nacional de Yellowstone estudiando los microorganismos que vivían en fuentes termales. Poco antes de finalizar el trabajo de campo, Brock y su estudiante Hudson Freeze recogieron muestras de Mushroom Spring (el manantial del hongo) para intentar aislar unos microorganismos que for­maban tapetes de color anaranjado. De regreso en el labo­ratorio en la Universidad de Indiana, sembraron placas de cultivo y las incubaron en diferentes medios a 70 grados. El microorganismo anaranjado no creció, pero en algunas placas apareció una nueva bacteria que podía crecer hasta los 78 grados y que no podía hacerlo por debajo de los 45. Claramente se trataba de un nuevo organismo termófilo, es decir, adaptado a las altas temperaturas. Brock y Freeze realizaron entonces las pruebas necesarias para describir el organismo y le pusieron el nombre de Thermus aquaticus.

El relato concluiría aquí si no fuera porque en 1989 David H. Gelfand tuvo la idea de utilizar un microorganismo termófilo para mejorar una técnica creada poco antes en su misma empresa, Cetus, por Kary Mullis: la PCR.

La PCR es una especie de fotocopiadora molecular que permi­te realizar tantas copias como se quiera de un fragmento de ADN seleccionado. La forma de seleccionar este fragmento y no otro consis­te en mezclar el ADN de la muestra que se va a analizar con dos pequeños fragmentos de ADN que se denominan ceba­dores. Al calentar la muestra con estos cebadores, la doble cadena se separa. Al enfriarla a continuación, los cebadores se hibridan con el fragmento de ADN complementario de su se­cuencia. Si los hemos elegido correctamente, nuestros ceba­dores se unirán al principio y al final del gen que buscamos. En este momento, añadimos la enzima que duplica el ADN, la ADN polimerasa, para que se una al cebador y comience a replicar el ADN. La enzima no puede replicar una cadena de ADN a menos que parta desde un cebador, de ahí el nom­bre.

Al cabo de un rato, volvemos a calentar la mezcla, con lo que las cadenas se vuelven a separar. Volvemos a enfriar y ahora tendremos el doble de copias del ADN de interés. Si añadimos más polimerasa, volveremos a repetir el ciclo, pero esta vez tendremos ocho copias. El proceso va aumentando el número de copias del fragmento de interés de forma expo­nencial, de manera que, al cabo de 20 o 30 ciclos, la mayor parte del ADN consiste en copias idénticas de nuestro gen de interés. Una vez conseguido esto, lo podemos secuenciar con facilidad.

Pasos de la PCR. En 1 tenemos una molécula de ADN (en blanco), dentro de la cual está el fragmento A que nos interesa (en negro). En 2 las dos cadenas del ADN se separan al calentarlas. En 3 añadimos los cebadores. Bajamos la temperatura y los cebadores y se unen a las zonas del ADN complementarias. En 4 añadimos la ADN polimerasa que anclándose en el cebador, “lee” la secuencia de bases de la cadena madre y sintetiza la cadena hija complementaria. En 5, después de un tiempo adecuado, tenemos cuatro copias del fragmento A y solamente 2 del resto del ADN. 

Como hemos dicho, la técnica era el resultado de una idea brillante de Kary Mullis, que recibió el Premio Nobel por este descubrimiento en 1993. Sin embargo, la idea original tenía un problema: en cada ciclo, al calentar la muestra, la polimerasa se desnaturalizaba y había que volver a añadir más enzima. Esto hacía que la técnica resultara muy laboriosa y poco eficiente.

Fue entonces cuando a David H. Gelfand se le ocurrió utilizar la enzima de un microorganismo termófilo. De esta manera la enzima no se desnaturalizaría y se podría volver a utilizar en el siguiente ciclo. Gelfand probó las enzimas de un gran número de bacterias termófilas y la mejor resultó ser la de la bacteria que Thomas D. Brock había aislado dos décadas antes. En 1989 David H. Gelfand y otros científicos de la em­presa Cetus registraron una patente para realizar la técnica de la PCR con una enzima extraída de Thermus aquaticus: la Taq polimerasa.

Del hallazgo a la aplicación práctica

La historia anterior tiene muchas moralejas que conciernen a la ciencia. La primera es que entre un descubrimiento y su aplicación práctica pasan muchos años. Trascurrieron 20 años hasta que la bacteria aislada en Yellowstone por un ecólogo microbiano fue utilizada en una patente por un biólogo molecular que trabajaba para una de las primeras empresas de biotecnolo­gía. La aplicación de esa técnica a la ciencia forense toda­vía se demoró unos cuantos años más. Pero en 1996 la PCR permitió por primera vez liberar a un falso culpable de la cárcel: el uso de esta técnica hizo posible declarar inocente a Kevin Green, un hombre que había sido encarcelado 16 años antes en California de forma errónea por un crimen de violación.

Mushroom Spring (el manantial del hongo) en el Parque Nacional de Yellowstone. / NPS Photo.

Nadie hubiera podido prever en 1965 que el proyecto de investiga­ción que Brock presentó a la National Science Foundation (NSF) iba a tener consecuencias prácticas 30 años después. Afortunadamente, los evaluadores de la NSF se basaron en la calidad científica del proyecto y de su investigador principal para aprobarlo y, en consecuencia, financiarlo. Y esta es la segunda conclusión. Las aplicaciones de la investigación básica no se pueden predecir.

Tanto en la Unión Europea como en nuestro país, las instituciones tienen una gran preocupación por financiar la investigación que resulte beneficiosa para la sociedad. Las frases que se han puesto de moda son “mejorar la calidad de vida de los europeos” y “realizar la investigación que pide la sociedad”. Si estos hubieran sido los criterios para evaluar el proyecto de Brock, este no se habría financia­do y Kevin Green tal vez seguiría en prisión.

Pero es que la PCR no solamente se utiliza en esos casos. Por ejemplo, el caso Maeso, el anestesista que contagió la hepatitis a muchos pacientes en un hospital de Valencia, se resolvió gracias a la PCR. Actualmente, la técnica se emplea en miles de laboratorios de medicina, de antropología y de biología en todo el mundo y genera anualmente un negocio de 20.000 millones de euros, además de mantener muchos puestos de trabajo.

Cuando Brock decidió estudiar las fuentes termales de Yellowstone no estaba pensando en mejorar la calidad de vida de los americanos, hacer la investigación que pedía la sociedad o desarrollar pruebas médicas para controlar una pandemia. ¿Alguien puede imaginar a la sociedad pidiendo que se investigaran los exóticos microbios que vivían en las fuentes termales de Yellowstone?

En lo que estaba pensando Brock era en buscar los límites de la vida, estaba embarcado en una empresa intelectual formidable que le empujaba a de­dicar todos sus esfuerzos a entender mejor el funcionamiento de la naturaleza. Al igual que los artistas de vanguardia, sentía pasión por ir más allá de la superficie de las cosas, superarse, buscar algo nuevo que nadie había imaginado hasta ese mo­mento. En cualquier caso, el hecho de que las aplicaciones de un descubrimiento científico sean totalmente imprevisibles demuestra que la investigación básica no solamente es im­prescindible (sin ella no puede haber aplicaciones), sino que no puede ser dirigida.

 

* Carlos Pedrós-Alió es investigador del Centro Nacional de Biotecnología del CSIC y autor del libro La vida al límite (CSIC-Catarata).

Únete a la ciencia ciudadana: pon a tu ordenador a cribar fármacos contra el coronavirus

Por Mar Gulis (CSIC)

Colaborar desde casa en la búsqueda de medicamentos que frenen el coronavirus ya es posible gracias a un nuevo proyecto de ciencia ciudadana impulsado por el CSIC y la Fundación Ibercivis. Basta con tener un ordenador, conexión a internet y unirse, instalando un programa, a la red de computación distribuida de Ibercivis. A partir de ese momento, cada vez que se active el salvapantallas, tu ordenador se pondrá a hacer cálculos que servirán para conocer si fármacos que se están utilizando para tratar otras enfermedades víricas, como el ébola, la infección por VIH (causante del sida), la hepatitis B o la gripe, logran inhibir una proteína clave en la reproducción del virus SARS-CoV-2. Si quieres saber más, aquí te damos algunas claves del proyecto, que responde a las siglas ‘COVID-PHYM’.

Ciencia ciudadana

¿Por qué probar compuestos que ya existen?

Pues para ganar tiempo en el control de la pandemia. Como los medicamentos aprobados ya han demostrado ser suficientemente seguros para nuestra salud, podrían estar disponibles para tratar a pacientes con COVID-19 mucho antes que un fármaco de nueva creación.

En cualquier caso, aunque un medicamento esté aprobado, hay que demostrar que es eficaz contra este coronavirus. Los ensayos clínicos con personas son muy costosos en términos económicos, de tiempo y de esfuerzo para los pacientes y el sistema sanitario. Así que, antes de hacer pruebas de este tipo, conviene utilizar técnicas informáticas para seleccionar buenos candidatos, es decir, fármacos que tengan realmente oportunidades de funcionar.

¿Cuál es la diana terapéutica?

La proteína que se quiere inhibir se conoce como ARN polimerasa dependiente de ARN’ y ha sido escogida porque juega un papel central en la replicación y transcripción del material genético del virus. Si se neutraliza, se puede frenar la propagación del virus en el organismo y ayudar en la curación.

¿Qué pintan los ordenadores personales en todo esto?

Como explica Javier Martínez de Salazar, investigador del CSIC en el Instituto de Estructura de la Materia y líder del grupo que está detrás de esta iniciativa (Biophym), buscar con técnicas informáticas un compuesto capaz de neutralizar una proteína concreta es como probar un enorme número de llaves para abrir una cerradura. “Como en el caso de una llave y una cerradura, hay que encontrar el fármaco que mejor se adapte a la estructura de la zona de la proteína en la que esta realiza su función; el problema es que los modelos basados en la química-física que nos permiten hacerlo implican realizar cientos de miles de cálculos para medir la fuerza de la interacción de cada una de las posibles asociaciones entre el fármaco y la proteína”, advierte Javier Ramos Díaz, uno de los investigadores del grupo.

Un ordenador convencional tardaría varios años en ejecutar los cálculos necesarios para llevar a cabo la investigación. Por eso, el proyecto necesita la colaboración ciudadana: es decir, muchos ordenadores de personas voluntarias que reciban y procesen pequeños paquetes de trabajo. De este modo será posible conseguir una potencia de cálculo similar a la de un supercomputador y realizar todas las tareas previstas.

Coronavirus y proteina diana

Principal: imagen al microscopio electrónico del virus SARS-CoV-2 . Arriba a la derecha: estructura de la ARN-Polimerasa del SARS-CoV-2. / Center for Disease Control/epa/dpa y PDB Id: 6M71.

Realmente, ¿es eficaz distribuir el trabajo en muchos ordenadores?

Sí. Esta forma de trabajar se conoce como computación distribuida, y lleva cerca de 20 años ayudando con éxito a llevar a cabo proyectos científicos que demandan una gran capacidad de procesamiento. Uno de los ejemplos más vistosos es el proyecto SETI, que ha conseguido que millones de voluntarios y voluntarias contribuyan con sus ordenadores a analizar señales de radio procedentes del espacio en busca de indicios de vida extraterrestre. Para facilitar su puesta en marcha, la Universidad de Berkeley desarrolló la plataforma de computación distribuida BOINC, un programa de código abierto que actualmente utilizan numerosos centros de investigación de todo el mundo en áreas tan diversas como la física, las matemáticas, la climatología o la astrofísica.

En España, uno de los principales impulsores de este paradigma de computación ha sido Ibercivis. Aunque actualmente esta fundación se dedica a promover todo tipo de iniciativas de ciencia ciudadana, cuenta con una infraestructura de computación distribuida basada en BOINC con más de 20.000 voluntarios y voluntarias que ceden la potencia de cálculo de sus ordenadores y que ha dado soporte a más de 15 proyectos de investigación.

¿Qué hay que hacer para colaborar?

Solo necesitas descargar el programa BOINC y unirte a ‘Ibercivis BOINC’ en el momento de la instalación. Al hacerlo podrás elegir fácilmente cuándo y cómo participar. Si no quieres que el rendimiento del ordenador se vea afectado mientras lo usas, deja activada la configuración por defecto para que el programa solo se ejecute en los tiempos de pausa, cuando salta el salvapantallas.