Cuando el pasado nos alcance

El siglo pasado apareció en medio del espectáculo científico la prometedora fotografía del núcleo celular. Descubrir la función y estructura del ADN y otras macromoléculas presentes en su interior ocasionó en la humanidad la germinación de ideas que extendieron sus ramas a mari usque ad mari y a través de diferentes áreas del conocimiento y desarrollo humano.

The crows maintain that a single crow could destroy heaven. This is beyond doubt, but doesn’t prove anything against heaven, since heaven means, precisely, the impossibility of crows.
—Franz Kafka

En 1980, con la finalidad de conocer el grado de preservación del cadáver de la tumba 1 en Changsha, la dama Dai (cuyo nombre era Xin Zhui), se logró la extracción de ADN y ARN con una antigüedad aproximada de dos mil años.¹ Obtener este ADN fue el primer paso; en 1984, Higuchi et al.² lograron clonar y secuenciar una cadena de 229 pares de bases de un animal símil al caballo (Equus quagga), extinto ante los ojos del hombre moderno, apenas en 1883. A partir de este ADN con 140 años de antigüedad (aa), se llegó a la conclusión de que ambos animales tienen un ancestro común y se menciona la posibilidad de encontrar ADN en los restos de un mamut siberiano congelado (40 mil aa) y a partir de insectos preservados en ámbar (25 mil aa). Apenas seis meses después Svante Pääbo reportaba en una carta a la misma revista científica la clonación de 3,400 pares de bases de ADN de una momia egipcia de aproximadamente 2,400 aa.³ Pääbo plantea además en su carta que sería posible estudiar las diferencias entre genes a través del tiempo y, por qué no, también los virus de la época utilizando este tipo de muestras. Estos estudios funcionaron como punta de lanza y desencadenaron la búsqueda de ADN antiguo (ADNa) en fósiles, fragmentos pseudofósiles y todo aquel remanente biológico o artefacto que hubiese permanecido en contacto con algún tejido vivo.

¿Todos los remanentes biológicos tienen ADNa?

No. Luego de la muerte celular, el ADN es una molécula altamente vulnerable. Los rayos de luz solar, la temperatura, la humedad, la presencia de hongos, bacterias e incluso proteínas propias de la célula pueden ocasionar su degradación. Se sugiere que su “supervivencia” máxima no es mayor a un millón de años —lo cual disminuye, entre otras cosas,⁴ la posibilidad de resucitar dinosaurios usando el ADN de insectos encontrados en ámbar—, sin embargo, también se sabe que en situaciones excepcionales como rápida desecación o congelamiento la degradación disminuye o se detiene,⁵ lo que permitiría encontrar esta molécula en algún tejido particularmente bien conservado. Comúnmente el ADNa se encuentra parcialmente degradado, en fragmentos de apenas cientos de pares de bases difíciles de manejar y conservar. Es precisamente ahí donde el avance en las técnicas moleculares ha permitido el incremento en la cantidad y calidad de los datos obtenidos.

¿Este ADNa es ADN del mamut, o del paleontólogo, o del laboratorio, o de la bacteria o…?

El trabajo con ADNa comienza con asegurarse y demostrar rigurosamente que el ADN extraído pertenece a la muestra antigua que se estudia. Uno de los problemas principales en el laboratorio para el manejo de estas macromoléculas es la contaminación con ADN exógeno que pudo ocurrir en algún momento desde la muerte de la célula hasta la clonación del ADN en el laboratorio. Para ello se requieren laboratorios sofisticados con la tecnología necesaria para el trabajo con macromoléculas sensibles, incluyendo, por ejemplo, trajes estériles que disminuyan el contacto del ser humano durante el proceso. También se requieren protocolos de extracción que maximicen la obtención de ADNa y que ayuden a discriminar entre “secuencias contaminación” y “secuencias genuinas”. En el 2003 Poinar⁶ publicó una lista sobre los criterios de autenticidad del ADNa en el que se mencionan la repetitividad, autenticidad y otros puntos críticos del trabajo de laboratorio, dejando en claro la complejidad que representa, además de la responsabilidad que implica obtener un método confiable.

Hoy en día existen técnicas como el “fishing” de ADNa y equipo complejo como el secuenciador 454, este último utilizado por vez primera para la secuenciación de un millón de pares de bases de huesos y dientes de neandertales de diferentes partes del mundo que posteriormente fueron analizados y comparados con las secuencias del chimpancé y el humano actual.

A finales del siglo pasado las técnicas para el manejo del ADNa estaban basadas en la reacción en cadena de la polimerasa (PCR por sus siglas en inglés) que consiste en la obtención artificial de copias a partir de una secuencia utilizando una enzima sintética (imitando una replicación natural). Sin embargo, los errores de la proteína encargada de hacer las réplicas también comprometen la fidelidad de las secuencias. Esto es, que la segunda copia tenga una base incorrecta y que a partir de ella se hagan miles de copias que al ser secuenciadas “mientan” sobre la base nitrogenada presente en la secuencia original y se obtenga una secuencia de ADNa con “errores”. Éste es un problema mayor cuando el ADN del que parte la reacción está degradado, como es el ADNa. Las críticas con respecto a este y otros factores durante el proceso de secuenciación han funcionado como aliciente para la adaptación o creación de tecnologías para minimizar este y otros problemas relacionados con la obtención y el análisis de estas moléculas. Hoy en día existen técnicas como el “fishing” de ADNa⁷ y equipo complejo como el secuenciador 454,⁸ este último utilizado por vez primera para la secuenciación de un millón de pares de bases de huesos y dientes de neandertales de diferentes partes del mundo que posteriormente fueron analizados y comparados con las secuencias del chimpancé y el humano actual.⁹ Estos avances tienen como finalidad reducir la probabilidad de error y a la fecha representan una inversión económica relativamente “elevada” cuando se trabaja en esta área.

¿Con qué finalidad se obtiene ADNa?

Con todas las que usted, lector, pueda imaginar y además las que pueda imaginar algún amigo y así con todos los amigos de todos (incluyendo quizás la creación artística, como la novela de ciencia ficción de Michael Cricht llevada a la pantalla grande en 1993, Jurassic Park). Entre algunas de las aplicaciones para este tipo de información biológica se encuentran: 1) conocer los cambios climáticos y ecológicos del planeta o migraciones, para lo cual podría extraerse ADNa de núcleos de suelo congelado (permafrost), que contienen microorganismos y residuos de plantas o heces fecales de animales de la región;¹⁰ 2) descifrar el origen y conocer la historia de las poblaciones de diferentes especies, incluyendo el hombre, para lo que se comparan y analizan secuencias extraídas de fósiles por ejemplo, para buscar a la “Eva” mitocondrial;¹¹ 3) entender la evolución y dinámica histórica de ciertos genes asociados con cambios morfológicos o fisiológicos entre diferentes especies, poblaciones e individuos y…

Ejemplos estelares: el mamut y la peste negra

Independientemente de la fascinación por comprender el origen y la gran cantidad de estudios acerca de los ancestros de los homínidos, las especies extintas más populares en estudios de ADNa son el tigre de Tasmania (Thylacinus cynocephalus) y el mamut lanudo (Mammuthus primigenius). El estudio de este ADNa comenzó (como prácticamente la mayoría) con obtener el genoma mitocondrial (la mitocondria es un organelo celular de herencia materna que posee su propio ADN, aproximadamente 16 mil pares de bases dependiendo de la especie, con las “instrucciones” para desempeñar funciones relacionadas principalmente con la obtención de energía). Posteriormente se secuenciaron grandes fragmentos del genoma (por ejemplo, 28 millones de pares de bases¹²) y actualmente se presume la secuenciación del genoma completo. El análisis de todos estos datos es útil, entre otras cosas, para conocer la historia biológica y entender los cambios genéticos en una especie antes de su extinción o durante eventos de cambio climático cuyo efecto podría haber causado la desaparición de grandes poblaciones. En el caso del mamut, se sabe actualmente que la similitud entre su ADN y el de el elefante es del 98-99%, dato que será corroborado con la obtención del genoma completo. En 1997 un grupo de trabajo de la Universidad de Kinki comenzó a trabajar para obtener el núcleo completo de células de mamut congelado encontrado en Siberia. Un núcleo completo podría ser insertado en la célula reproductiva de un elefante y así se podría obtener un clon de mamut. El proyecto se abandonó debido a que las células estaban dañadas por cristales de agua debido a la congelación, así que no fue sino hasta el 2008 cuando se clonaron ratones a partir de células congeladas que el proyecto volvió a tener sentido. En enero del 2011 el mismo grupo de trabajo informó que pese a la complejidad metodológica se estaba trabajando con células germinales de elefantes hembra y que si se lograba la inserción del núcleo del mamut y la supervivencia de esa célula el trabajo de manejo del embrión e implantación correspondería a un grupo de Estados Unidos. De ser así, el mamut estaría naciendo en aproximadamente cinco años… así que valga la pena comenzar a hacerse cualquier pregunta, como “¿qué va la humanidad a hacer y no hacer con un mamut?”

La posibilidad de obtener ADNa de cadáveres humanos (como en el caso de las momias e incluso artistas, políticos y otros personajes) implica también la posibilidad no sólo de conocer si la causa de su muerte fue alguna enfermedad, sino que también de obtener el ADN de los patógenos causantes enfermedades que se extendieron a nivel mundial.

La posibilidad de obtener ADNa de cadáveres humanos (como en el caso de las momias e incluso artistas, políticos y otros personajes) implica también la posibilidad no sólo de conocer si la causa de su muerte fue alguna enfermedad, sino que también de obtener el ADN de los patógenos causantes enfermedades que se extendieron a nivel mundial. Es quizás una de las labores más complicadas y otro de los retos interesantes para el diseño de protocolos de extracción de ácidos nucleicos a partir de muestras forenses. Por ejemplo, la búsqueda de ADNa de virus en muestras de pacientes cuya sintomatología registrada pudiera ser coincidente, por ejemplo, con el VIH o la tuberculosis. Quizás uno de los datos más interesantes en este sentido es la búsqueda del ADNa de la bacteria Yersinia pestis asociada con la “muerte negra”, una pandemia que se extendió por Europa y mató a casi 25 millones de personas. Se desenterraron e identificaron huesos humanos del cementerio East Smithfield de Londres y se comenzó la búsqueda de ADNa coincidente con bacteria causante de la “peste bubónica”. En octubre del 2011 se explicó y habló de la obtención del genoma completo de algunas de ellas en la revista Nature,¹³ así que, como en el caso anterior valga la pena comenzar a hacerse cualquier pregunta, como “¿qué va la humanidad a hacer y no hacer con las secuencias de Y. pestis?”

El trabajo con ADN antiguo (arqueogenética) para algunos es considerado el equivalente al practicar “magia negra”,¹⁴ queda mucho que hacer con una herramienta tan poderosa, de tal complejidad y particulares limitaciones. Entre otros, términos como genómica, metagenómica y paleogenómica han adquirido fuerza y se han vuelto cada vez más comunes, luego serán lo del día. Sobre todo cuando miremos un mamut en el patio de atrás el día que el pasado nos alcance. ®

Referencias
1. Hunan Medical College, 1980, Study of an ancient cadaver in Muwangtui Tomb No 1 of the Han Dynasty, Pekín: Ancient Memorial Press: 184-187.
2. Higuchi, R., Bowman, B., Freiberger, M., Ryder O. A. y Wilson, A. C., 1984, “DNA sequences from the quagga, an extinct member of the horse family”, Nature 312: 282-284.
3. Päävo, S., 1985, “Molecular cloning of ancient Egyptian mummy DNA”, Nature 314: 644-645.
4. Austin, J. J., Ross, A. J., Smith, A. B., Fortey, R. A. y Thomas, R. H., 1997, “Problems of reproducibility —does geologically ancient DNA survive in amber-preserved insects?”, Proceedings of the Royal Society of London B 264: 467-474.
5. Hebsgaard, M. B., Phillips, M. J. y Willerslev, E., 2005, “Geologically ancient DNA: fact or artefact?”, Trends in Microbiology 13(5): 212-220.
6. Poinar, H. N., 2003, “The top 10 list: criteria of authenticity for DNA from ancient and forensic samples”, International Congress Series 1239: 575-579.
7. Anderung, C., Persson, P., Bouwman, A., Elburg, R. y Götherström, A., 2008, “Fishing for ancient DNA”, Forensic Science International: Genetics 2: 104-107.
8. http://www.my454.com
9. Green, R. E., Krause, J., Ptak, S. E., Briggs, A. W., Ronan, M. T., Simons, J. F., Du, L., Egholm, M., Rothberg, J. M., Paunovic, M. y Päävo, S., 2006, “Analysis of one million base pairs of Neanferthal DNA”, Nature 444: 330-336.
10. Willerslev, E., Hansen, A. J. y Poinar, H. N., 2004, “Isolation of nucleic acids and cultures from fossil ice and permafrost”, Trends in Ecology and Evolution 19(3): 141-147.
11. Cyran, K. A., y Kimmel, M., 2010, “Alternatives to the Wright-Fisher model: the robustness of mitocondrial Even dating”, Teorethical Population Biology 78: 165-172.
12. Poinar, H. N., Schwarz, C., Qi, J., Shapiro, B., MacPhee, R. D. E., Buigues, B., Tikhonov, A., Huson, D. H., Tomsho, L. P., Auch, A., Rampp, M., Miller, W. y Schuster, S. C., 2006, “Metagenomics to paleogenomics: large-scale sequencing mammoth DNA”, Science 311(5759): 392-294.
13. Callaway, E., 2011, “The Black Dead decoded”, Nature 478: 444-446.
14. Hummel, S., 2003, Ancient DNA typing: methods, strategies and applications, Nueva York: Springer-Verlag Berlind Heidelberg.