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NO hay nuevas pruebas sobre ‘nuestros’ ancestros neandertales

De acuerdo, el título de este artículo parece afirmar justo lo contrario de lo que se está publicando hoy en otros medios. Pero déjenme explicarme. Ante todo, la historia: la edición digital de Nature publica hoy un valiosísimo estudio en el que se cuenta la secuenciación del ADN extraído de una mandíbula humana moderna hallada en 2002 por un grupo de espeleólogos en una cueva de Rumanía llamada Peștera cu Oase, un bonito y sonoro nombre que significa “la cueva con huesos”. El estudio viene dirigido por expertos en ADN paleohumano de talla mundial: Svante Pääbo, director del Instituto Max Planck de Antropología Evolutiva (Leipzig, Alemania) y del proyecto Genoma Neandertal, y David Reich, de la Universidad de Harvard (EE. UU.).

Mandíbula humana de hace unos 40.000 años hallada en la cueva de Pestera cu Oase (Rumanía). Imagen de Svante Pääbo, Max Planck Institute for Evolutionary Anthropology.

Mandíbula humana de hace unos 40.000 años hallada en la cueva de Pestera cu Oase (Rumanía). Imagen de Svante Pääbo, Max Planck Institute for Evolutionary Anthropology.

Hoy un yacimiento paleoantropológico se trata con el cuidado y esmero de los CSI en la escena del crimen, con el fin de evitar la contaminación de las muestras con ADN humano actual. Pero la mandíbula de la cueva rumana debió de pasar por tantas manos que para los científicos ha sido extremadamente complicado llegar a extraer material genético original del hueso, eliminando todas las contaminaciones microbianas y humanas.

Sin embargo, en este caso el minucioso trabajo merecía la pena, ya que la datación por radiocarbono de este hueso lo situaba en un momento del pasado especialmente crucial: entre 37.000 y 42.000 años atrás; es decir, en la época en que neandertales y sapiens convivían en Europa. Los primeros, nativos europeos, surgieron hace más de 300.000 años y desaparecieron hace unos 40.000 por razones que siempre seguirán discutiéndose. Los segundos, africanos de origen, llegaron a este continente entre 35.000 y 45.000 años atrás. Si pudierámos viajar al pasado, a hace más de 45.000 años, caeríamos en una Europa habitada exclusivamente por neandertales. Por el contrario, si fijáramos el dial de la máquina a hace menos de 35.000, encontraríamos solo humanos modernos. Así que el propietario original de la mandíbula rumana es nuestro hombre; más aún cuando se trata de un hueso claramente sapiens, pero con ciertos rasgos casi neandertales.

Un investigador manipula el hueso hallado en Rumanía. Imagen de Svante Pääbo, Max Planck Institute for Evolutionary Anthropology.

Un investigador manipula el hueso hallado en Rumanía. Imagen de Svante Pääbo, Max Planck Institute for Evolutionary Anthropology.

Esto es especialmente relevante porque los científicos podían pillar casi in fraganti a sapiens y neandertales en el momento en que surgió la chispa del romance entre ambos (y ¿por qué no?; al fin y al cabo, la hipótesis de las violaciones tampoco tiene ninguna prueba a su favor). Sabemos que los humanos actuales de origen no africano llevamos entre un 1 y un 3% de ADN neandertal en nuestros cromosomas. Pero hasta ahora no existían pruebas de que este intercambio de cromos llegara a producirse en suelo europeo, sino que más bien debió de tener lugar en Oriente Próximo hace entre 50.000 y 60.000 años.

Pues bien: to cut a long story short, el ADN original de la mandíbula rumana resulta tener un 6-9% de neandertal, mucho más que cualquier otro humano moderno conocido hasta ahora. Es más; la estimación de los científicos sugiere que el individuo en cuestión tenía antepasados neandertales entre cuatro y seis generaciones atrás. Es decir, que el propietario original de la mandíbula pudo tener tatarabuelos neandertales, y la aportación genética de sus ancestros aún estaba muy fresca.

Así, el estudio aporta una nueva prueba del cruce entre humanos modernos y neandertales, la pista más concluyente hasta ahora, y la primera demostración genética de que esta mezcla de sangres tuvo lugar en Europa. Lo cual ya parece dejar pocas dudas, si es que queda alguna, de que sapiens y neandertales llegaron a intimar y a dejar descendencia.

Pero…

Otra cosa, y a esto se refiere el título del artículo, es que esta descendencia fuera nuestra ascendencia, y la respuesta es que no. Repito que el legado neandertal en nuestros genes está suficientemente justificado. Pero por desgracia, ninguno de los europeos somos descendientes de aquel rumano tataranieto de neandertales; de hecho, genéticamente se parece más a los asiáticos orientales o a los nativos americanos que a los europeos. Por desgracia, el linaje de aquel individuo se extinguió. Según dice Reich en una nota de prensa, “es una prueba de una ocupación inicial de Europa por humanos modernos que no originaron la población posterior. Puede haber sido un grupo pionero de humanos modernos que llegó hasta Europa, pero que fue después reemplazado por otros grupos”. Así que la historia de nuestros ancestros neandertalizados sigue tan oscura como antes.

Dicho todo lo anterior, y dejando ya el estudio, es posible que algún lector se haya hecho el siguiente razonamiento: si llevamos un 1-3% de ADN neandertal, ¿significa que el resto de nuestro material genético es diferente? ¿Cómo es posible, si suele decirse que compartimos un 99% de nuestro ADN con los chimpancés? Si usted se ha hecho esta pregunta, ya se habrá figurado que ciertas cosas se han contado mal. Y es que, como explicaré mañana, la idea de que somos en un 99% genéticamente idénticos a los chimpancés es sencillamente una gran tontería.

Se abre el debate: por primera vez corrigen genes en un embrión humano

Acaba de producirse uno de esos hitos de la biotecnología que solo se cuentan a razón de uno por década, o así, pero que en sus repercusiones teóricas podría situarse a la altura de los antibióticos o de las vacunas. Teóricas, porque difícilmente va a aplicarse en un plazo que podamos prever: a fecha de hoy, si un científico occidental lo hiciera, sería reprobado dentro y fuera de su profesión, y en algunos países podría acabar en la cárcel. Pero China, como sabemos, no se distingue precisamente por su liderazgo ético en el mundo, y muchas cuestiones que en occidente plantean debates morales allí solo significan retos técnicos.

Fertilización in vitro de un óvulo humano. Imagen de Eugene Ermolovich (CRMI) / Wikipedia.

Fertilización in vitro de un óvulo humano. Imagen de Eugene Ermolovich (CRMI) / Wikipedia.

Ante todo, una aclaración esencial: los investigadores chinos no han descubierto nada, y su experimento está a años luz de poder calificarse como éxito. Así pues, si no hay hallazgo revolucionario, si los resultados son mediocres, y si además todo el asunto es éticamente discutible, ¿cómo puede tratarse de algo equiparable a los antibióticos o a las vacunas? La respuesta es que, si un oportuno debate concluyera en la aprobación pública de estos procedimientos, y estos pudieran perfeccionarse para garantizar una eficacia y una limpieza a la altura de los estándares clínicos, desaparecerían del mundo todas aquellas enfermedades congénitas hereditarias cuyos genes responsables han podido identificarse; es decir, la mayoría de lo que conocemos como enfermedades raras.

El término clave es edición genómica embrionaria. Es decir, cortar los genes defectuosos en un embrión y reemplazarlos por versiones sanas. Se trata de un procedimiento de corta-pega molecular, no muy lejano en su concepto a lo que hacían los montadores de cine cuando las películas se rodaban en película. Para aplicarlo a algo tan pequeño como una cadena de ADN, es necesario disponer de unas tijeras infinitamente pequeñas y precisas.

Durante décadas, los biólogos moleculares han utilizado distintos sistemas para corta-pegar genes. La biotecnología nació gracias al descubrimiento de las enzimas de restricción, proteínas que las bacterias emplean como sistemas de defensa frente a virus y que son capaces de reconocer y cortar secuencias específicas de ADN. Hoy se comercializan más de 600 enzimas de restricción distintas, que en los laboratorios se emplean como herramientas de rutina para elaborar construcciones genéticas a voluntad con la contribución de un segundo tipo de elementos: las ligasas, que pegan los bordes cortados. A las enzimas de restricción se han ido sumando otros sistemas más sofisticados como las llamadas nucleasas de dedos de cinc, enzimas artificiales que pueden diseñarse para reconocer y cortar secuencias específicas con mayor precisión que los sistemas bacterianos naturales.

A finales del siglo XX, cuando las nuevas tecnologías facilitaron la secuenciación de genomas a granel, los científicos se dieron cuenta de que muchas bacterias poseían unas extrañas marcas comunes en su ADN: cinco fragmentos repetidos de 29 bases (las letras del ADN), separados por espaciadores de 32 bases y secuencia variable. O sea, y haciendo un símil con un sándwich: pan – queso – pan – chorizo – pan – jamón – pan – mortadela – pan. Los investigadores no tenían la menor idea de qué significaban, pero en 2002 se les puso un nombre: CRISPR, siglas en inglés de Repeticiones Palindrómicas Cortas Agrupadas y Regularmente Espaciadas; una denominación puramente descriptiva sin ninguna alusión a una función que por entonces era desconocida.

Por abreviar, más tarde se descubrió que los espaciadores variables –el relleno entre cada dos panes– son secuencias de ADN de virus que atacan a las bacterias, fragmentos que estas atrapan de sus invasores para guardar de ellos una especie de huella dactilar que les ayude a reconocerlos y combatirlos en el futuro. Es decir: cuando una bacteria sufre la agresión de un virus, corta pedazos de su ADN y los archiva en sus CRISPR. Más adelante, si el mismo virus ataca de nuevo, unas enzimas llamadas Cas que trabajan en equipo con los CRISPR se encargarán de reconocer estas huellas para cortar esas secuencias y neutralizar así al invasor.

Como ocurrió antes con las enzimas de restricción, de inmediato los biólogos reconocieron el enorme potencial del sistema CRISPR/Cas9 para construir y modificar secuencias genéticas a voluntad, y en solo unos años este campo se ha convertido en uno de los más calientes y prometedores de toda la biología experimental. Desde la ciencia básica hasta la terapia genética, desde la mejora de cosechas a la clonación de mamuts, las aplicaciones de CRISPR/Cas9 son tan incontables que el hallazgo podría valer un Nobel, tal como en 1978 se premió a los descubridores de las enzimas de restricción.

Llegamos así a lo nuevo. Investigadores de la Universidad Sun Yat-sen de Guangzhou (China) han sido los primeros en atreverse a aplicar el sistema CRISPR/Cas9 para editar genes en un embrión humano, una utilidad que ya muchos habían vaticinado pero sobre la que aún no existe un consenso ético. Es imprescindible subrayar, con triple subrayado, que los científicos chinos han empleado embriones NO viables con tres juegos de cromosomas en lugar de los dos normales. Estos embriones triploides se producen durante la fertilización in vitro cuando un óvulo queda fecundado por dos espermatozoides. Recordemos que la presencia de un solo cromosoma de más ocasiona graves alteraciones, como sucede en el síndrome de Down. Un embrión con un triple juego de cromosomas no es de ninguna manera viable.

Para ensayar la edición genómica, los investigadores eligieron el gen de la β-globina (HBB), cuyo producto es una proteína de la hemoglobina cuyas alteraciones causan enfermedades como la anemia falciforme o la beta-talasemia. Pero como ya he señalado al comienzo, no se puede decir que el experimento haya sido un éxito. El sistema CRISPR/Cas9 logró extraer quirúrgicamente el gen HBB en aproximadamente la mitad de los embriones supervivientes analizados, pero solo en pocos casos consiguió reparar la brecha con la secuencia de reemplazo. Aún peor, los científicos observaron que en varios casos la enzima cortó donde no debía y que algunas de las brechas se rellenaron empleando erróneamente otro gen parecido como modelo, el de la delta-globina (HBD), causando mutaciones aberrantes.

En resumen, un pequeño desastre. El propio director del estudio, Junjiu Huang, reconoció a Nature News que no prosiguieron más allá porque el sistema “todavía es demasiado inmaduro”. “Si quieres hacerlo en embriones normales, necesitas acercarte al 100%”, dijo Huang. El investigador asegura que su estudio fue rechazado por Nature y Science debido al conflicto ético que plantea, pero lo cierto es que la calidad de los resultados conseguidos difícilmente superaría los exigentes filtros de estas revistas.

En su lugar, el trabajo se ha publicado en la revista Protein & Cell, de índice de impacto más discreto. Pero no cabe duda de que el impacto del estudio será mucho mayor de lo que merecerían los logros aportados, y que su eco se extenderá mucho más allá de las paredes de los laboratorios. Como suele decirse vulgarmente, el experimento de los investigadores chinos ha abierto un melón, y ahora habrá que discutir sobre qué hacer con él.

ADN, el disco duro del futuro (II)… que durará dos millones de años

Esta es la gran paradoja de la información en la era digital: es imposible borrar nuestro rastro en internet, por mucho que nos empeñemos en lograrlo. Y sin embargo, podemos perder fácilmente nuestros archivos para siempre a causa de un error o una avería. Es más: ningún soporte físico digital está concebido para durar más de medio siglo. Ni discos duros, ni CD, ni DVD, ni memoria flash. Ninguno.

En cambio, conservamos códices medievales que han perdurado cientos de años, y que perdurarán cientos de años más. Tenemos manuscritos que han sobrevivido durante milenios. ¿De qué sirve digitalizar las pinturas de Altamira, si la versión digital deberá cambiarse de soporte sucesivamente para que no desaparezca, mientras el original pervivirá sin que nadie lo toque (especialmente si nadie lo toca)? ¿Acaso creemos que al digitalizar una obra antigua la estamos perpetuando?

De todo lo anterior podríamos llegar a deducir que el soporte del futuro no es otro que el papel. ¿Sorpresa? ¿Absurdo?

Pero el papel puede mojarse, quemarse o ser pasto de los bichos. Una pequeña trampa en el argumento anterior es que, en realidad, se supone que solo conservamos una pequeña parte de todo el papel que jamás se ha escrito o impreso. La inmensa mayoría se ha perdido.

Lo cierto es que, para descubrir mejores soportes de información que el papel y la electrónica, nada mejor que echar una mirada a nuestro entorno natural. La tecnología actual nos permite acceder a información que la naturaleza ha preservado durante cientos de miles de años, en forma de ADN en huesos fósiles. El investigador del Instituto Federal Suizo de Tecnología en Zúrich (ETH) Robert Grass lo explica así a Ciencias Mixtas: “Los libros más antiguos que conocemos tienen más de 1.000 años, y los jeroglíficos se han almacenado en la piedra durante varios miles de años. Este es un plazo largo, pero todavía corto si lo comparamos con los datos que podemos construir a partir del ADN de huesos arqueológicos, que llega hasta los 700.000 años de antigüedad”. Grass se refiere al logro de un equipo de investigadores de la Universidad de Copenhague (Dinamarca), que en julio de 2013 publicó en Nature la secuenciación del genoma de un caballo del Pleistoceno a partir de un hueso conservado en el permafrost de Canadá durante más de medio millón de años.

Ilustración artística del uso de ADN fósil. Imagen de Philipp Stoussel / ETH Zurich.

Ilustración artística del uso de ADN fósil. Imagen de Philipp Stoussel / ETH Zurich.

Grass se planteó el reto de conseguir lo mismo por una técnica artificial; fabricar un fósil capaz de conservar ADN intacto durante tanto tiempo que los procedimientos actuales de almacenamiento de información a largo plazo quedaran ampliamente sobrepasados. La respuesta fue el cristal: encapsular el ADN en esferas de sílice de unos 150 nanómetros, 0,15 milésimas de milímetro. Una vez construidos estos fósiles, y para analizar su durabilidad, Grass y sus colaboradores incubaron las partículas durante un mes a 60 o 70 ºC, lo que simula la degradación química que sufrirían a lo largo de cientos de años. Una vez terminado el tratamiento, los investigadores extrajeron el ADN de su caparazón de arena empleando soluciones de fluoruro como las que se utilizan en el grabado químico, para finalmente leer las secuencias y comprobar su integridad.

A partir de sus resultados, y comparándolos con la dinámica de degradación del ADN en el hueso, los investigadores han estimado cuánto tiempo podrían sobrevivir las muestras siendo aún legibles. Según exponen en su estudio, publicado en la revista Angewandte Chemie, a las temperaturas de Zúrich el ADN se conservaría durante 2.000 años, que aumentarían hasta 100.000 en el lugar más frío de Suiza. Pero si las esferas de sílice se almacenaran en el Banco Mundial de Semillas de Svalbard, una instalación subterránea en Noruega que se mantiene a -18 ºC, el ADN podría durar “más de dos millones de años”, escriben los científicos.

Claro que todo esto no tendría sentido si no fuera para conservar información que podamos codificar a voluntad en el ADN. En mi anterior post expliqué la aproximación más rudimentaria al uso del ADN como lenguaje, traducir la secuencia a proteína y utilizar los aminoácidos como alfabeto de 20 letras. Pero este método solo permite codificar textos; para ampliar sus aplicaciones a cualquier tipo de información, es esencial emplear código binario, el idioma en el que se escriben los archivos digitales. Como conté anteriormente, un grupo de jóvenes investigadores chinos presentó un sistema en 2010, pero no es el único. Ya en 1996 se publicó un método ideado por un interesante personaje llamado Joe Davis, conocido como el “científico loco” del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT).

Davis ha desarrollado su carrera a caballo entre el arte y la ciencia, siempre en la frontera de la originalidad y la innovación. En la década de 1980, tuvo la idea de introducir en una bacteria una obra de arte digitalizada. Para ello creó Microvenus, un símbolo rúnico que es también una representación simplicada de los genitales femeninos. Lo que Davis hizo fue inspirarse en el sistema empleado por Carl Sagan y Frank Drake en el mensaje de Arecibo, una señal de radio lanzada al espacio en 1974: convertir el gráfico en un panel de ceros y unos, y luego encadenar las líneas para transformarlo en un código lineal. Para ello, era necesario que las dimensiones del gráfico original fueran el producto de dos números primos, con el fin de que su reconstrucción en 2D fuera unívoca. A continuación, Davis tradujo el código binario en bases de ADN empleando una equivalencia con un sistema de compresión y añadiendo la clave al comienzo del mensaje.

El icono Microvenus y su codificación en ADN. Nótese que su traducción gráfica a código binario se realiza en un panel de 5x7, ambos números primos. Imagen de Joe Davis / JSTOR Art Journal.

El icono Microvenus y su codificación en ADN. Nótese que su traducción gráfica a código binario se realiza en un panel de 5×7, ambos números primos. Imagen de Joe Davis / JSTOR Art Journal.

La segunda gran aportación del estudio de Grass es un nuevo sistema de codificación que extiende y mejora la idea de Davis. El investigador del ETH y sus colaboradores han creado un método que toma los caracteres de un texto de dos en dos, pero tratándolos como si cada uno fuera un byte (ocho bits), lo que permite aplicarlo a cualquier tipo de archivo digital. El siguiente paso es transformar el conjunto de dos bytes en base 256 (256²=65.536) en un triplete en base 47 (47³=103.823). ¿Y por qué en base 47? Muy sencillo: es necesario asignar a cada triplete de ADN (ver mi post anterior) un número distintivo para hacer la conversión. Como secuenciar y leer cadenas de ADN con muchas bases repetidas (como GGGGGGGGGG o TTTTTTTTTTT) aumenta las posibilidades de error, los científicos se quedaron solo con los tripletes en los que la segunda y la tercera base son distintas; así, AAC es válido, pero CAA no. De este modo, reducen las repeticiones a un máximo de tres: AAC CCG. Con esto, de los 64 tripletes posibles (variaciones con repetición de cuatro elementos tomados de tres en tres), se quedan solo con 48. Pero como el campo bidimensional de valores debe basarse en un número primo, eligieron el más próximo, 47.

Así, cada par de caracteres o bytes queda transformado en un trío de números del 0 al 46, los cuales a su vez se corresponden con tripletes de ADN. Pero para corregir los errores debidos a la degradación del ADN, la síntesis o la lectura, los investigadores introdujeron redundancias de datos mediante códigos de Reed-Solomon, herramientas muy utilizadas, por ejemplo, en comunicaciones espaciales y en la grabación de soportes digitales como discos duros y CD. Para entender cómo funcionan estos códigos, podemos pensar en los bits de paridad empleados antiguamente para transmitir código ASCII; un carácter ASCII se codifica en siete bits binarios (0/1), pero solía introducirse un octavo bit, llamado de paridad, que tomaba el valor de 0 o 1 según la suma del resto de bits iguales a 1 fuera par o impar. De este modo, se incorporaba un valor de comprobación para detectar errores en la transmisión. Otro ejemplo es el dígito de control de los números de las cuentas bancarias. Los códigos Reed-Solomon son más complejos, pero se inspiran en un principio similar.

Empleando este sistema, los científicos codificaron dos textos, la versión en latín del Pacto Federal de 1291 que daba forma a la primera confederación suiza, y la traducción inglesa de El Método de los teoremas mecánicos perteneciente al Palimpsesto de Arquímedes. Tras la síntesis del ADN codificado, su encapsulación en sílice y el tratamiento térmico, los investigadores encontraron cierto grado de degradación del ADN, pero los códigos Reed-Solomon funcionaron a la perfección para corregir los errores. “Por primera vez, mostramos en experimentos reales que formando fósiles artificiales alrededor de nuestra muestra de ADN, y añadiendo esquemas de corrección de errores a la información almacenada en el ADN, este almacenamiento a largo plazo es posible en la práctica”, concluye Grass.

Los científicos están pensando ya en aplicar su sistema a gran escala. “Estamos concibiendo la creación de una biblioteca de información digital para almacenamiento a largo plazo, pero por el momento es todavía un sueño, y requerirá dinero”, apunta Grass. Sin embargo, otras utilidades no resultan tan lejanas: los investigadores han ensayado el sistema para añadir cápsulas magnéticas fósiles de ADN a modo de marcas de agua genéticas o etiquetas de autenticidad en productos como gasolina, aceites cosméticos o aceite de oliva. Las partículas, que son inalterables y solo pueden retirarse mediante imanes en instalaciones especializadas, introducen un sistema de código de barras genético que sirve para evitar falsificaciones y perseguir el contrabando.

ADN, el disco duro del futuro

Emplear el ADN de un organismo vivo para guardar información ajena a su función biológica no es ciencia-ficción; ya se ha hecho. La bioencriptación es una de las líneas de investigación más innovadoras y divertidas de la biología molecular, pero con claras aplicaciones prácticas. Y es uno de esos ejemplos fronterizos de Ciencias Mixtas que tan bien encajan aquí. Además de ser un tema irresistible para fantasear sobre los avances futuros de la tecnología y cómo cambiarán el mundo que conocemos.

Para explicar cómo, empecemos dejando sentado algo evidente: el ADN es un código. Siempre que hablamos de genes o genomas, nos referimos a ristras de letras (más propiamente, bases) como aquella que daba título a una magnífica película: GATTACA. En este caso, se trata de una secuencia formada por Guanina-Adenina-Timina-Timina-Adenina-Citosina-Adenina. Este ejemplo comprende los cuatro tipos de bases que forman el ADN: G, A, T y C. Para convertir una cadena de ADN a proteína, el producto de los genes, existe una maquinaria celular que lleva a cabo un proceso de transcripción y traducción. En esta última, las bases de ADN se leen de tres en tres, formando tripletes llamados codones. Cada uno de estos tripletes se traduce en un aminoácido, los eslabones de las proteínas. Por ejemplo, en el título de la película tendríamos dos tripletes, GAT-TAC, y nos olvidamos de la A suelta. GAT corresponde al aminoácido llamado ácido aspártico, y TAC se traduce como tirosina.

La secuencia del ADN se puede utilizar para cifrar y conservar mensajes. Imagen de Miki Yoshihito / Flickr / CC.

La secuencia del ADN puede utilizarse para cifrar y conservar mensajes. Imagen de Miki Yoshihito / Flickr / CC.

Por simple combinatoria, las variaciones con repetición de cuatro elementos tomados de tres en tres nos dan un total de 64 codones posibles, pero las proteínas solo están formadas por 20 tipos de aminoácidos distintos. Lo que ocurre es que en muchos casos la tercera base del triplete no influye en la traducción: GCA, GCT, GCC y GCG tienen un mismo significado común, el aminoácido alanina.

Así, cualquier clase de información podría traducirse sobre el papel a una secuencia de ADN con solo inventar un código de equivalencias. La forma más sencilla es utilizar como alfabeto los 20 aminoácidos, dado que cada uno de ellos se abrevia por una letra: el ácido aspártico es D, la tirosina es Y y la alanina es A. El problema es que así obtenemos un alfabeto incompleto en el que faltan las consonantes B, J, X y Z, pero sobre todo dos vocales, O y U.

A pesar de las limitaciones de este sistema, se ha empleado ya para el fin último de todo este tinglado: convertir la secuencia de ADN sobre el papel en una molécula real que conserve el mensaje introducido y que luego pueda ser descodificada. El ejemplo más conocido es el del magnate de la biotecnología J. Craig Venter, que en 2008 incluyó secuencias codificadas en la recreación sintética del genoma de una bacteria llamada Mycoplasma genitalium; entre ellas, su propio nombre: CRAIGVENTER, pero también citas del escritor irlandés James Joyce y de los físicos Richard Feynman y Robert Oppenheimer. Además de su lado recreativo, estas etiquetas genéticas se emplean con un propósito, imprimir una especie de marcas de agua para diferenciar los genomas manipulados. Por ello es una práctica habitual en la producción de organismos transgénicos.

Pero el del alfabeto incompleto no es el único ni el mayor problema de utilizar el código de traducción a proteínas. Por un lado están los errores; los hay en la escritura (síntesis del ADN diseñado) y en la lectura (secuenciación del ADN producido según el diseño), y este sistema no es lo suficientemente robusto para evitarlos. Y lo que es peor, si estos mensajes se incluyen en el genoma de una bacteria como secuencias inertes, fuera de los genes reales que la célula utiliza, la evolución y sus mutaciones irán desfigurando el texto original a lo largo de las generaciones sucesivas hasta un momento en que se volverá ilegible. Por otra parte, el sistema de proteínas es adecuado para cifrar mensajes de texto, mientras que lo ideal sería emplear un código binario que aceptara cualquier tipo de archivo digital.

En 2010, un equipo de investigadores de la Universidad China de Hong Kong presentó un nuevo sistema de bioencriptación en el concurso de biología sintética iGEM del Instituto Tecnológico de Massachusetts. El diseño de los científicos chinos consistía en transformar el texto en caracteres ASCII, que se representan mediante siete bits binarios (0/1). Así, este sistema acepta cualquier tipo de archivo en formato digital. En su día calculé que el método permitiría codificar el texto completo de la Constitución Española en 139.262 bases de ADN, que se repartirían entre 175 bacterias. Los autores del trabajo aportaban el dato de que todos los archivos que caben en 450 discos duros de 2 terabytes podrían almacenarse en solo un gramo de bacterias. Otras estimaciones han propuesto que en medio kilo de ADN podría codificarse toda la información jamás grabada en los ordenadores de todo el mundo. Y todo a prueba de hackers.

Evidentemente, desde el concepto teórico hasta el día en que podamos grabar un vídeo en el genoma de una población de bacterias y luego reproducirlo en un secuenciador-reproductor habrá que saltar unos cuantos abismos tecnológicos. Pero como contaré mañana, el ADN puede esperar. Miles de años, si hace falta.

Continuará…

Por qué NO nos parecemos más a nuestros padres

Gemelas en la película de Stanley Kubrick 'El resplandor' (1980). Imagen de Warner Bros.

Gemelas en la película de Stanley Kubrick ‘El resplandor’ (1980). Imagen de Warner Bros.

Cada vez que nace un bebé se repite la misma escena. Los familiares desfilan ante el nuevo y pequeño organismo humano despiezándolo figuradamente en un pastiche de elementos de distinto origen: la nariz es de su padre, las orejas de su madre, los ojos de su abuelo, y esos hoyuelos son típicos de los Martínez. Sabemos que nos parecemos en mayor o menor medida a nuestro padre, a nuestra madre y a sus familias respectivas, y tenemos también una idea de por qué no somos copias exactas de ninguno de nuestros antecesores; somos una sociedad genética participada al 50% por cada uno de nuestros dos accionistas.

Además, la transmisión de esos genes no se produce siempre en paquetes intactos y completos como quien hereda una biblioteca, sino que existe un proceso por el que los libros intercambian páginas entre ellos, dando lugar a nuevas obras. En el caso de los cromosomas, este barajado genético se llama recombinación, y origina nuevas piezas de información que no estaban presentes en ninguno de los padres. Este es un mecanismo que nos hace únicos, algo que se refleja también en nuestro aspecto diferenciado de los demás: como suele decir mi madre, todos iguales, con dos ojos, nariz y boca, y sin embargo todos distintos.

Alguno quizá pensará que a estas alturas deberíamos tener perfectamente calibrado cómo los distintos genes influyen en nuestros rasgos o nuestras enfermedades. Ojalá fuera así. No cabe duda de que el logro de secuenciar el genoma humano, o mejor dicho los genomas humanos, ha sido un avance clave para asociar más fácilmente ciertos caracteres a determinados genes. El problema es que la mayoría de nuestros rasgos no responden a lo que se conoce como herencia mendeliana, la que se comporta a grandes rasgos como un código más o menos binario con variaciones deterministas. La gran mayoría de lo que somos depende de complejas influencias mutuas entre distintos genes, interacciones que son difíciles de desentrañar y que aún prometen siglos de investigación por delante.

En ocasiones, los investigadores pueden llegar a descubrir algunas asociaciones de diferentes rasgos comparando genes y fenotipos de personas concretas. Pero aunque ya se han secuenciado más de 200.000 genomas humanos, aún no hay suficientes datos como para tener la seguridad de que los resultados son estadísticamente significativos. Un equipo de científicos de la Universidad de Harvard y el Instituto Tecnológico de Massachusetts ha elaborado un nuevo modelo matemático que trata de aprovechar el volumen de datos disponible hoy para establecer correlaciones entre distintos rasgos genéticos y enfermedades, un tipo de estudio que en el futuro podría servir para estimar, por ejemplo, el riesgo de padecer una determinada dolencia a partir de ciertos caracteres físicos o de personalidad.

Según escriben los investigadores en su estudio, disponible en la web de prepublicaciones bioRxiv, el estudio de 25 rasgos ha encontrado una correlación significativa entre la anorexia nerviosa y la esquizofrenia, o entre tastornos de la alimentación y desórdenes psicóticos. Las conclusiones vienen respaldadas por el hecho de que el modelo muestra correlaciones ya conocidas, como lípidos en plasma y enfermedad cardiovascular o diabetes tipo 2 y obesidad, o el efecto protector de la esquizofrenia sobre la artritis reumatoide. Los resultados muestran una ausencia de asociación entre alzhéimer y enfermedades psiquiátricas, lo que para los investigadores sugiere que se trata de bases genéticas distintas. El estudio es un interesante punto de partida para otros análisis futuros que podrían hallar relaciones hasta ahora insospechadas entre distintos rasgos genéticos.

Pero por si fuera poca la dificultad de predecir los rasgos y enfermedades a partir del genoma, las cosas se complican aún más cuando el resultado de nuestros genes no solo depende de la secuencia de ADN, sino además de otras modificaciones químicas que no dejan reflejo en el código de nuestros cromosomas. Esto es lo que se conoce como epigenoma, y en las últimas décadas ha pasado de ser un fenómeno casi anecdótico a revelar una enorme importancia en cómo nuestros genes fabrican lo que somos. Las modificaciones epigenéticas –literalmente, sobre la genética– pueden ser de varios tipos, como la alteración química de los genes por un proceso llamado metilación, o el control de la expresión de los genes por unas proteínas unidas al ADN llamadas histonas, o la regulación a través de pequeñas cadenas de ARN que se unen a los genes y los enmascaran.

La epigenética se ha convertido en un activo campo de estudio no solo porque ejerce un enorme poder sobre el control de los genes, sino además porque estas modificaciones, por ejemplo en el caso de la metilación, pueden surgir en cualquier momento de la vida de una célula por razones que aún no llegan a comprenderse del todo, pero que al menos en algunos casos pueden deberse a factores ambientales, como la alimentación o los hábitos de vida. Además, las modificaciones epigenéticas pueden transmitirse a la descendencia, por lo que pueden ser otro factor de aquello que nos diferencia de nuestros padres.

Un ejemplo de ello se ha publicado esta semana en la revista PNAS. El caso descrito por un equipo de investigadores de la Universidad de Virginia (EE. UU.) se refiere a la oxitocina, una molécula del sistema endocrino que actúa también como neurotransmisor y que suele conocerse popularmente como la “hormona del amor”: está presente en todo el proceso de la maternidad, contribuye a la afectividad y al refuerzo de los vínculos emocionales, y también desempeña un papel en el orgasmo. Se ha demostrado anteriormente que la oxitocina puede tener un efecto ansiolítico, y actualmente se investiga la función de esta hormona en desórdenes afectivos y sociales.

La oxitocina actúa a través de una molécula receptora codificada por un gen llamado OXTR. La metilación de este gen resulta en una menor presencia del receptor y por tanto en una atenuación de la acción de la hormona. Los científicos han estudiado la relación de esta modificación, medida en el ADN de la sangre, con la activación de regiones del cerebro, observada por técnicas de neuroimagen, y con las respuestas emocionales al contemplar expresiones faciales negativas, todo ello en una muestra de 98 individuos.

Los resultados muestran que, tal como los investigadores proponían, los voluntarios con menor metilación de OXTR, es decir, con mayor actividad de oxitocina, mostraban menores reacciones de miedo y ansiedad ante estímulos visuales. “Los individuos con menor metilación y que teóricamente tienen mayor acceso a la oxitocina endógena muestran una respuesta atenuada a los estímulos negativos”, escriben los científicos, añadiendo que estos sujetos tienen una menor probabilidad de desórdenes de percepción social.

Pero las implicaciones del estudio van más allá, confirmando la idea actual de que la epigenética puede ser una fuente esencial de esas variaciones que nos apartan de la herencia de nuestros padres: “Nuestros resultados se añaden a la importante y creciente literatura que implica la variabilidad epigenética como motor de la variabilidad individual en la conducta compleja”, concluyen los investigadores. “La epigenética probablemente tendrá un papel en aumento en nuestra comprensión de la relación entre genes y comportamiento, y puede expandir los modelos de susceptibilidad diferencial a los desórdenes psiquiátricos y del desarrollo”.

Ejemplos como este ilustran el avance hacia un estado de la técnica que hoy es ciencia-ficción: conociendo el genoma y el epigenoma de una persona no solo podríamos reconstruirla físicamente, sino incluso conocer los rasgos de su personalidad. La ciencia-ficción, como decía Ray Bradbury, es el arte de lo posible. Y esto es teóricamente posible, aunque los obstáculos técnicos aún son descomunales. Una tecnología semejante tendría aplicaciones enormemente beneficiosas, por ejemplo en criminología, si a partir de una muestra de ADN de sangre o piel se pudiera confeccionar un perfecto retrato robot de un criminal. Pero no cabe duda de que también abriría una puerta a otros usos menos deseables, comenzando por la eugenesia. La historia demuestra que, hasta ahora, ninguna puerta abierta por la tecnología ha vuelto a cerrarse, por lo que dependerá de nosotros el aprender a manejar lo que en el futuro tendremos entre las manos.

El ADN aguanta intacto un viaje al espacio

Una de las teorías más fascinantes de la biología es la de la panspermia, la posibilidad de que la vida haya sido sembrada a través del espacio por inóculos presentes a bordo de objetos espaciales como asteroides o cometas. La panspermia tiene defensores apasionados y detractores acérrimos; algunos de estos últimos suelen denigrar la teoría descalificándola como seudocientífica. Si nos atenemos a la doctrina del método científico según el filósofo de la ciencia Karl Popper, podríamos aceptar esta etiqueta; pero como ya expliqué el otro día, también lo sería toda búsqueda de vida extraterrestre. Lo cierto es que la panspermia es tan irrefutable como difícilmente verificable. Pero no deja de ser un interesante experimento mental.

La panspermia viene en distintas graduaciones. La más simple –y aceptable para muchos– postula el viaje espacial de moléculas orgánicas prebióticas. Algunas definiciones excluyen esta modalidad como verdadera panspermia, limitándose a incluir en este concepto la dispersión de formas de vida completas, no de sus precursores. En ocasiones se conoce esta forma como seudopanspermia o panspermia molecular. En el otro extremo del arco está la panspermia dirigida, aquella que propone la existencia de civilizaciones tecnológicas viajeras que siembran la vida deliberadamente por el universo.

Entre los firmantes de esta panspermia de alta graduación alcohólica se encuentran grupos exóticos como la secta de los raelianos, pero también el mismísimo Francis Crick, codescubridor de la estructura del ADN. Y Crick no defendió la panspermia dirigida en una charla de café, sino en un trabajo escrito en colaboración con el químico Leslie Orgel y publicado en la revista Icarus en 1973. Sin embargo, es justo decir que Crick sostenía esta postura cuando la replicación del ARN (probablemente el primer material genético de la vida terrestre, anterior al ADN) era inexplicable sin la intervención de proteínas, lo que dificultaba concebir un origen de la vida azaroso. Crick moderó su alegato en años posteriores cuando se descubrieron moléculas de ARN que podían actuar como catalizadores de la replicación y de otros procesos.

En cuanto a la posibilidad de que la vida se propague a través del cosmos, en 2012 un experimento en la Estación Espacial Internacional (ISS) demostró que algunas esporas de bacterias como Bacillus subtilis y Bacillus pumilus son capaces de sobrevivir a las condiciones del espacio durante un año y medio. El mismo año se describió una nueva bacteria llamada Tersicoccus phoenicis que ha sido aislada únicamente en dos salas blancas de la NASA y la ESA donde se ensamblaron naves espaciales. Aunque no se ha comprobado su resistencia en el espacio, ha demostrado ser un superviviente capaz de aguantar esterilizaciones muy estrictas y una absoluta falta de nutrientes. Los científicos piensan que, de hecho, es posible que esta bacteria ya haya viajado al espacio e incluso a Marte, montada en alguna sonda.

Aún más insólito es el hecho de que los tardígrados, unos minúsculos animalitos de ocho patas que viven en el musgo y los sedimentos, sean capaces de resistir la vida en el espacio durante diez días. Esta habilidad de los también llamados “osos de agua” ha sido científicamente probada, al contrario que una extravagante proclama surgida hace unos meses: el pasado agosto, la agencia rusa ITAR-TASS informó de que los cosmonautas rusos de la ISS habían hallado nada menos que plancton marino en el exterior de las ventanas de la estación. El hallazgo no ha sido después confirmado ni comentado por otras fuentes como la NASA.

Lanzamiento del cohete TEXUS-49 desde el Centro Espacial Esrange en Kiruna (Suecia). Imagen de Adrian Mettauer.

Lanzamiento del cohete TEXUS-49 desde el Centro Espacial Esrange en Kiruna (Suecia). Imagen de Adrian Mettauer.

En cuanto a las moléculas orgánicas, en el espacio se han encontrado en abundancia, y algunos de los bloques que integran el ADN se han hallado en meteoritos. Sin embargo, es dudoso que las largas cadenas de ADN necesarias para constituir genes puedan mantenerse intactas sometidas al vacío y las radiaciones del espacio. Al menos, hasta ahora: por primera vez, un estudio publicado hoy en la revista PLOS One demuestra que el ADN puede conservarse íntegro y funcional en un vuelo al espacio de solo 13 minutos, pero incluyendo una reentrada en la atmósfera a unos 1.000 grados centígrados.

El estudio está dirigido por Cora Thiel y Oliver Ullrich, de la Universidad de Zúrich (Suiza). En 2011, estos dos científicos cargaron un experimento sobre regulación de genes celulares en un cohete llamado TEXUS-49, que debía lanzarse al espacio desde el Centro Espacial Esrange (Kiruna, Suecia) en una trayectoria balística para regresar a la Tierra después de un breve vuelo. Mientras preparaban el proyecto, los dos científicos se encontraron discutiendo la posibilidad de que las firmas biológicas como el ADN pudieran sobrevivir al viaje, y decidieron entonces añadir un segundo experimento al que denominaron DARE (siglas en inglés de Experimento de Reentrada Atmosférica de ADN).

Los investigadores eligieron tres ubicaciones en la superficie externa del cohete y depositaron allí pequeñas cantidades de ADN en forma de plásmido. Los plásmidos son cadenas circulares de ADN que las bacterias utilizan en la naturaleza para pasarse genes de resistencia a antibióticos de unas a otras. En el laboratorio, los plásmidos sirven como herramientas de biología molecular, ya que permiten empaquetar genes para su manipulación. El plásmido utilizado por Thiel y Ullrich contenía un gen de resistencia a antibióticos y otro para producir una proteína fluorescente.

Los investigadores Cora Thiel y Oliver Ullrich recogen muestras de ADN del exterior del cohete. Imagen de Adrian Mettauer.

Los investigadores Cora Thiel y Oliver Ullrich recogen muestras de ADN del exterior del cohete. Imagen de Adrian Mettauer.

En marzo de 2011, una vez concluido el vuelo del TEXUS-49, los investigadores tomaron muestras de los lugares donde habían depositado el ADN. Y su sorpresa fue grande al descubrir que el 35% del ADN recogido era completamente funcional, capaz de conferir resistencia a antibiótico a las bacterias y de producir la proteína fluorescente en células de ratón. Los científicos recolectaron ADN íntegro de las tres localizaciones, pero donde encontraron una mayor proporción de material funcional, un 53%, fue en los surcos de los tornillos. “Este estudio aporta pruebas experimentales de que la información genética del ADN es esencialmente capaz de sobrevivir a las condiciones extremas del espacio y a la reentrada en la densa atmósfera terrestre”, dice Ullrich en un comunicado.

Los investigadores subrayan la relevancia de sus resultados en lo que se refiere a la posibilidad de que las firmas biológicas de vida alienígena presente o pasada puedan sobrevivir a un viaje espacial y llegar hasta nosotros. Pero Thiel y Ullrich son conscientes de que esta no es la única implicación de su descubrimiento: “No es solo una cuestión del espacio a la Tierra, sino también de la Tierra al espacio y a otros planetas; nuestros hallazgos nos preocupan por la posibilidad de contaminar naves espaciales, sondas y lugares de aterrizaje con ADN de la Tierra”.