La publicación simultánea de la versión del consorcio público en Nature y de la empresa privada Celera en Science me llevó a escribir el artículo que apareció en Artes y Letras de El Mercurio de Santiago del 25 de febrero 2001 y que se reproduce a continuación.

Habiéndose renovado las clases y el año académico, el ICBM organizó una celebración académica el 19 de marzo, en que 4 académicos presentamos nuestra lectura de esa publicación y pusimos en exhibición el mapa del genoma aparecido en la revista Science, posteriormente brindamos con champaña por la alegría de haber sido testigos de este enorme hito de la ciencia mundial. Realmente pienso que la biología y la medicina han cambiado radicalmente con la publicación del genoma y su compendio de alrededor de 30.000 genes que codifican la información bióloga de nuestra especie. Las preguntas, las técnicas y las ideas que debemos emplear para conocer las propiedades de los organismos vivos y sus patologías son ahora distintas y mucho más complejas. Ese cambio tiene también que reflejarse en nuestra docencia, la que además debiera incluir nuevas disciplinas como la bioinformática, la genómica funcional y la proteómica. Este es un nuevo y gran desafío para nuestra Facultad, que debiéramos enfrentar con las mismas herramientas que impulsaron la creación del ICBM: excelencia, renovación e integración.


Los tesoros del genoma humano

El desciframiento del genoma humano volvió a irrumpir en las noticias mundiales el lunes 12 de febrero. Ese día se ofrecieron grandes conferencias de prensa por parte de los líderes de los dos grupos que en esa fecha publicaron sus hallazgos sobre este trascendental tema: el Dr. Eric Lauder, del Instituto Whitehead del MIT, quien representó a los grupos de seis países apoyados por fondos públicos y fundaciones y el Dr. Craig Venter, Presidente de la Compañía Celera.

¿En qué se diferencia este anuncio de otro más espectacular aún que hicieron en junio del año pasado nada menos que el entonces Presidente de Estados Unidos Bill Clinton y Tony Blair, el Primer Ministro del Reino Unido? Lo que se anunció el año pasado por parte de ambos grupos fue el término del grueso de la secuenciación del genoma humano. La secuenciación consiste en poder definir el orden en que las bases deoxinucleotidicas comúnmente representadas por las letras A, T, G y C están escritas en el ADN de cada uno de los 24 diferentes tipos de cromosomas que existen en el ser humano. Se podría pensar que el anuncio del año pasado fue "hemos terminado de digitar el libro del Genoma Humano con un millón de páginas y con sus 3.000 millones de letras". La misma celeridad con que se hizo la digitación no les dio tiempo a ambos grupos de leer lo que se estaba digitando.

El anuncio del lunes 12 de febrero del presente año hace público el libro del millón de páginas y nos cuenta de lo que estos dos grupos han descubierto en una primera lectura, una rápida ojeada de este monumental libro.

No me cabe duda que éste es uno de los más trascendentales avances científicos de todos los tiempos y que para la biología y para la medicina marca un hito enorme que cambia toda nuestra manera de pensar y de investigar a los seres vivos y a las patologías que ellos sufren. No es posible exagerar la importancia que este logro científico tiene en el cumplimiento de una de las más básicas curiosidades de nuestra mente, conocer lo que somos.

Vale la pena entonces hacer un breve análisis de cómo llegamos al desciframiento del genoma y a los primeros tesoros encontrados en el libro.


Medio siglo de la biología molecular

El año 1944, mientras se luchaban las batallas decisivas de la Segunda Guerra Mundial, Oswald Avery un médico de 65 años, quien trabajaba en el Instituto Rockefeller de Nueva York, publicó sus hallazgos que establecían que el ADN es el material que contiene la información genética. Este descubrimiento clave surgió de la pregunta de Avery de por qué algunas cepas de neumococos eran virulentas y causaban la mortal neumonía y otras no lo hacían. Este descubrimiento no curó la neumonía pero nos dijo que los genes, ideados como conceptos por Mendel, estaban contenidos en las largas y hasta entonces aburridas moléculas de ADN. La genética y la biología en esos momentos se hicieron moleculares. El siguiente gran paso fue dado en 1953 por James Watson y Francis Crick quienes le dieron una genial interpretación a los datos de Rosalyn Franklin, quien estudiaba la estructura del ADN mediante difracción de rayos X. Watson y Crick propusieron la estructura de la doble hélice que de un golpe resolvió dos fundamentales preguntas de la biología diciéndonos que la información genética está contenida en la secuencia de las bases, las cuatro letras del ADN y que, al replicarse las células, las dos hebras del ADN de la célula madre se separan y cada hebra sirve de molde para la síntesis de una nueva hebra complementaria según las reglas de que siempre frente a una A, la nueva hebra debe poner T y siempre frente a una G debe escribirse C. Ya, por lo tanto, hace 50 años se había planteado que para conocer toda la información genética del hombre había que conocer toda la secuencia de bases del ADN humano. Pero faltaban muchos aportes conceptuales y técnicos para planteárselo como proyecto realista.

En la década de los sesenta se descifró el código genético por Nirenberg, Ochoa y Khorana. Ese hallazgo nos explicó como el idioma de 4 letras de los ácidos nucleicos se podía expresar en el idioma de 20 letras, los aminoácidos, que componen las proteínas. Ya en ese momento, supimos que en cada tipo de célula el genoma (ADN) da origen a un proteoma (conjunto de proteínas) que es responsable de las actividades de esa célula. El desciframiento de la clave de equivalencias entre los idiomas de los ácidos nucleicos con las proteínas nos proporcionó otros dos magníficos conceptos. El primero es que esta clave es idéntica para todos los organismos vivos y por lo tanto afirmó que todos los seres vivos venimos a través de la evolución de un mismo tronco común validando tanto a San Francisco como a Darwin. El segundo concepto fue el corolario del primero: si todos los seres vivos comparten los mismos idiomas de los ácidos nucleicos y de las proteínas, el material genético de un organismo puede ser leído correctamente por otro organismo. Este corolario es precisamente el fundamento teórico de la ingeniería genética, de la biotecnología y de la generación de organismos transgénicos. Para hacer la ingeniería genética realidad, sin embargo, fue preciso el desarrollo, durante las décadas de los 70 y 80, de una serie de técnicas que permitieron cortar el ADN en trozos manejables, aislar trozos específicos que contenían genes e introducirlos en células vivas. Esos avances permitieron hacer adelantos espectaculares de la biotecnología como preparar insulina humana en bacterias, generar vacunas contra la hepatitis y la rabia, producir plantas resistentes a insectos y aumentar el valor nutritivo de los alimentos.

Uno de los más fundamentales avances técnicos fue aportado por un notable investigador inglés, Frederick Sanger. El Dr. Sanger inventó en 1977 la metódica que sirve para poder descifrar la secuencia de las bases que componen un trozo de ADN y es muy apropiado, por lo tanto, que el centro británico que fue responsable de hacer el 25% del genoma humano, se llame el Sanger Centre.

Otro inmenso avance en este campo fue aportado por Karl Mullis al inventar la reacción en cadena de la polimerasa o PCR. Esta metódica permite amplificar millones de veces un trozo de ADN con gran especificidad lo que hace que el tamaño de la muestra se torne irrelevante. Esta metódica ha jugado un papel fundamental en el desciframiento del genoma humano.


El proyecto genoma humano
Público versus Privado

Esta sucesión de avances en la biología molecular junto con la poderosísima irrupción de la informática con su capacidad de almacenar y analizar datos llevaron a mediados de la década de los 80 a grupos de Estados Unidos a proponer por primera vez la posibilidad de hacer un proyecto para descifrar el genoma humano.

Notablemente fue el Departamento (Ministerio) de Energía (DOE) de Estados Unidos que lanzó la idea. El interés de este Ministerio en la genética molecular se explica por el daño que la energía nuclear puede causar al material genético. La propuesta fue muy debatida y un grupo importante de biólogos de renombre internacional fueron muy críticos, considerando el proyecto irrealizable y con costo tan alto que absorbería todos los fondos de investigación. Sin embargo, la idea del proyecto se extendió a otros países como Inglaterra, Francia y Japón y se generó la propuesta de que éste debería ser un esfuerzo internacional. Con ese fin se creó la Organización del Genoma Humano (HUGO), conformada por científicos de todo el mundo y que trató de coordinar el trabajo de los diversos laboratorios en cada uno de los cromosomas, organizando grandes congresos anuales para monitorear el avance. En los últimos años, China y Alemania entraron a participar con importantes esfuerzos de sus gobiernos.

Hasta el año 95, el financiamiento fue esencialmente público o de una fundación privada sin fines de lucro como el Wellcome Trust, que en el Reino Unido hizo una contribución decisiva. El debate sobre los aspectos legales, sociales y éticos se inició muy tempranamente -área en que la UNESCO se tomó un claro liderazgo reuniendo un grupo de expertos (incluyendo a dos chilenos Gonzalo Figueroa y Ricardo Cruz Coke -, generando una Declaración Universal sobre el Genoma Humano, proclamándolo patrimonio de la humanidad y oponiéndose al uso de la información genética para la discriminación de individuos. El Dr. Craig Venter era, a principios de los 90, investigador de los Institutos de Salud de Estados Unidos (NIH). En esa calidad inició trabajos tendientes a generar un gran número de secuencias de genes expresados y convenció a la entonces directora del NIH a solicitar patentes sobre estos trozos de secuencias, aún sin saber para qué servían. Esta solicitud causó gran revuelo en la comunidad científica mundial que se oponía a este patentamiento y precipitó la renuncia del Dr. James Watson como director del Proyecto Genoma del NIH. Cuando asumió el Presidente Clinton, nombró a otro director del NIH, el Premio Nobel Harold Varmus, quien retiró la solicitud de patentes. Craig Venter, entonces, decidió fundar su propia compañía, TIGR, reuniendo cuantiosos capitales de riesgo y demostrando una enorme capacidad de gestión. Esa compañía se dedicó al estudio de genomas de microorganismos, usando una estrategia muy diferente a la usada por el consorcio de laboratorios del sector público. El consorcio había acordado enfocar el proyecto del genoma humano por etapas, favoreciendo primero la preparación de mapas genéticos y físicos que le permitieran tener "banderitas" a lo largo de todos los cromosomas, luego cortar los cromosomas en grandes trozos que a su vez eran fraccionados en pedazos más pequeños y sólo en la última etapa entrar a secuenciar las letras de los trozos más cortos. Se pensó que esta estrategia, que tomaba más tiempo, era necesaria para permitir el ensamble de todos los trocitos en un rompecabezas increíblemente difícil.

Venter y TIGR usaron la "estrategia de la escopeta" que al disparar perdigones por todos lados se asegura que algunos darán en el blanco. Esa estrategia consistía en romper el genoma en cientos de miles de pedacitos muy pequeños, que eran secuenciados, sin importar de donde venían. El truco era que Venter confiaba en que las computadoras iban a poder hacer el milagro de empalmar los trocitos para armar el puzzle. En 1995, TIGR dio un golpe al anunciar que, con su metódica de escopeta, había podido resolver el primer genoma de una bacteria: Hemophilus influenza. Aunque este genoma es mil veces más pequeño que el humano, el hecho de que esta compañía le hubiera ganado la carrera a muchos grupos de científicos hizo creíble su estrategia y le atrajo muchos nuevos capitales a TIGR, que pretendió patentar la información de estos organismos patógenos y venderla a las empresas farmacéuticas.

La carrera por el genoma humano realmente se montó cuando en 1997 la división Applied Biosystems Instruments (ABI), perteneciente a Perkin Elmer Company, inventó un nuevo secuenciador en base a electroforesis capilar y modificaciones del viejo método de Sanger. Este modelo (3700) era 6 veces más rápido que el antiguo modelo de la misma compañía. Venter y este fabricante crearon una alianza que dio origen a CELERA una nueva compañía dedicada a secuenciar el genoma humano para el año 2000. El consorcio público entonces se dio cuenta que debería abandonar su calmada estrategia y también adoptar el enfoque de la escopeta pues de otra manera CELERA ganaría la carrera y solicitaría patentes por gran parte de la información genética humana. El consorcio público había adoptado la política de ir dando a conocer toda la información que recogían diariamente, poniéndola en el gran banco de datos (GeneBank) accesible por Internet a todo el mundo. Esto era de gran utilidad a los científicos interesados en localizar genes ligados a enfermedades genéticas en las diferentes latitudes. También fue muy útil para CELERA quien pudo conocer y aprovechar esos datos y todo el trabajo de ordenamiento realizado por la competencia. Los datos obtenidos por CELERA eran restringidos a los que suscribían acuerdos que aceptaban los derechos de propiedad intelectual de esa compañía.

A mediados de 1999 parecía que la compañía privada ganaría la carrera, lo que llevó a Clinton y a Blair a ponerse el parche antes de la herida y sacar una declaración conjunta que sustentaba la importancia de un libre acceso a la información genética de la raza humana.

Ya en el año 2000, ambos grupos tenían las máquinas de secuenciación manejadas por robots funcionando a la increíble velocidad de mil letras por segundo las 24 horas del día y se vio que la carrera iba para empate o el fallo fotográfico. Como la dura competencia había generado declaraciones y recriminaciones de ambos lados, tomó un trabajo diplomático para conseguir que el 26 de junio del 2000, Craig Venter, presidente de CELERA, y Francis Collins, Director del Instituto del Genoma del NIH, en representación del consorcio público, aparecieron dándose la mano juntos en presencia de Clinton en su Conferencia satelital con Blair. Este empate diplomático, sin embargo, no resolvió la rivalidad ya que ésta volvió a aparecer en la publicación del análisis del genoma del reciente 12 de febrero. El consorcio público lo dio a conocer en la revista Nature, editada principalmente en Inglaterra, mientras CELERA publicó su versión a través de Science, el órgano de la Asociación para el Avance de la Ciencia de Estados Unidos. Esta última revista negoció con Venter para conseguir que la información de CELERA estuviera a disposición de los interesados que debían de todas maneras suscribir un convenio sobre el uso de la información. La revista Science fue criticada por varios destacados científicos por haber aceptado esos términos.

Haciendo un balance, podemos concluir que la competencia y el empate final resultó ser beneficioso pues la participación del sector público permitió el libre acceso de la información sin restricciones. La dinámica de CELERA, causó que conociéramos el genoma varios años antes de lo presupuestado y sirvió para que se diseñaran los sofisticados programas y software para permitir el enfoque de escopeta. La presencia del sector privado ha atraído la atención de grandes capitales que ahora se dedicarán a encontrar aplicaciones para el diseño de nuevos medicamentos derivados de la información recogida.


Los primeros tesoros del genoma

La lectura de los largos artículos de Science (CELERA - 44 páginas) y de Nature (el Consorcio de laboratorios de 6 países - 64 páginas) nos dicen que en general ambos grupos están de acuerdo en su primer análisis del libro de la raza humana. La primera y más grande sorpresa fue el número de genes que se pudieron encontrar en los 2,91 mil millones de letras analizadas. CELERA encuentra 26.588 genes a los que se podrían agregar otros 12.000 de los que no están muy seguros. El consorcio ha encontrado 24.500 genes con seguridad y estiman que al final de cuentas habrían entre 30.000 y 40.000 genes. Por muchos años se pensó que el tamaño del genoma humano nos reportaría 100.000 genes y los cálculos variaban entre 70.000 y 150.000. La respuesta que obtuvimos el 12 de febrero fue entonces un duro golpe al orgullo humano pues nos dice que no hay una gran diferencia entre "el rey de la creación" y las moscas que tienen 13.338 genes, los gusanos que tienen 18.266 y una hierba que tiene 25.706 genes. Este resultado nos dice que la complejidad y capacidad cognitiva no se explican por el número de genes del genoma. A posteriori podemos razonar que creer lo contrario era muy simplista. Es como mirar una catedral gótica o un enorme puente y sacar la conclusión de que para construirlos se necesitan muy diferentes tipos de piedras, ladrillos o barras de fierro que los que usan en una simple casa. La complejidad de un edificio no está en el número de diferentes unidades básicas que se usan sino en como éstas están ordenadas y unidas entre sí. Esto quiere decir que para entender al hombre que se refleja en su genoma no podemos buscarlo separadamente en sus genes sino que en una mirada de conjunto que nos revele las maneras y diseños que reúnen a sus partes en esa maravilla que es la esencia biológica del ser humano.

Pero también hay que tomar en cuenta que la información de los genes encontrados en el genoma humano está interrumpida por grandes trozos de material genético "chatarra" que no contiene información para proteínas. Aunque esta interrupción de genes ocurre en otros organismos eucarióticos (con células nucleadas), la frecuencia con que ocurre un procesamiento alternativo de los mensajes que origina proteínas diferentes es mucho más alto en humanos que en los otros organismos estudiados. Los autores del consorcio estiman que hasta el 60% de los genes humanos originan más de una proteína por estas vías de procesamiento alternativo. De esta manera los 30 mil genes seguramente son capaces de originar 50.000 o más proteínas diferentes. También debe considerarse que las proteínas de los organismos superiores sufren más modificaciones después de sintetizadas ya que tenemos enzimas que les agregan o sacan grupos fosfatos, metilos, acetilos, glucosidos y muchas otras modificaciones que drásticamente alteran sus propiedades. Así es como del restringido número de genes del genoma humano surgen proteomas mucho más complejos. Claramente, la tarea de descifrar el genoma, con todo lo difícil que fue, puede considerarse sencilla cuando ahora enfrentamos la nueva etapa, conocer la funcionalidad de los genes mediante el estudio de los proteomas.

Los artículos publicados el 12 de febrero por los dos grupos en competencia están repletos de otros datos extraordinarios.

Sorprendentemente, cerca de la mitad del genoma humano se originó en elementos genéticos transportables que, semejantes a los retrovirus, invadieron los genomas de nuestros antepasados en el proceso evolutivo dejando grandes trozos de secuencias repetidas en el ADN humano. Más sorprendente aún es el hecho que en el genoma humano se encontraron genes para 223 proteínas muy similares a proteínas presentes en bacterias pero ausentes en levaduras, moscas, gusanos y plantas. Un análisis más fino de 113 de esos genes nos indica que estas proteínas están presentes en la generalidad de las bacterias pero sólo se encuentran en los vertebrados entre los seres eucarióticos. La explicación más simple para este hallazgo es que los vertebrados de alguna manera desconocida adquirieron esos genes directamente de las bacterias. David Baltimore, Premio Nobel, comentó sobre este hallazgo: "los verdes que se oponen tanto a los organismos transgénicos van a sentirse muy mal al saber que todos los humanos somos también transgénicos". Lo que es muy interesante es que varios de los genes que adquirimos de bacterias tienen que ver con el metabolismo y la detoxificación de Xenobióticos, compuestos no biológicos que entran en nuestro organismo y que generalmente son tóxicos. Otro de estos genes codifica para la monoamina oxidasa, enzima que metaboliza importantes neurotransmisores y que es el blanco de drogas usadas en la psiquiatría. Claramente estos genes bacterianos le otorgaron ventajas competitivas a los vertebrados que los recibieron de las bacterias y por eso esos genes se mantuvieron en todo el linaje de los vertebrados hasta llegar al hombre.

Igualmente interesante es el estudio de la diversidad humana que se vislumbra en ese primer análisis de nuestro genoma. Como el genoma se estudió a partir de bibliotecas genéticas de muchos individuos de diferentes razas y sexos, fue fácil de comparar la frecuencia con que hay cambios en la secuencia de las letras del genoma. El resultado es que entre dos humanos hay el cambio de una letra cada 1.300 letras. Otra manera de decirlo es que somos el 99.92 idénticos, lo que es una bella confirmación científica de la doctrina de igualdad humana. Estas mismas comparaciones, llevaron a los autores del consorcio público a encontrar 1,42 millones de polimorfismos de una sola base (SNP) que ocurren con frecuencia en un lugar específico del genoma en poblaciones humanas. Combinaciones de estos cambios son responsables de generar la sorprendente y bienvenida diversidad que existe entre los humanos. Es indudable que una de las metas que más luego se perseguirá es la de establecer un completo catálogo de estas variaciones que servirán para definir la identidad de cada individuo y para establecer las correlaciones de estas variaciones con sus diferentes características. Esta será la manera en que se podrán encontrar los genes que contribuyen a enfermedades como la hipertensión, la diabetes, la esquizofrenia, que son multigénicas, es decir que son causadas por el conjunto de varios genes.

Otro gran campo que se comienza a explotar con el descubrimiento de estos miles de genes nuevos es el de la detección de blancos terapéuticos alternativos. Hasta la fecha un compendio de todas las proteínas que sirven como blancos para drogas de la farmacopea mundial arroja sólo 483 de ellas. El genoma debería ofrecer muchas nuevas posibilidades. Un ejemplo: Un receptor del neurotransmisor serotonina (llamado 5-HT3A Receptor) se usa como blanco de las drogas contra la depresión y la esquizofrenia. Se acaba de descubrir otro gene muy parecido en el cromosoma 11, que codifica para otro receptor de serotonina (5-HT3B Receptor) que se encuentra en el hipocampo y en el núcleo caudado. Ese nuevo receptor podría ser un excelente blanco para nuevas drogas. Podríamos seguir enumerando por muchas páginas la riqueza extraordinaria de la información que ahora está disponible en el genoma. Sin duda que nacen nuevas disciplinas: la genómica comparada que se dedica a sacar valiosa información sobre la evolución de los genomas, la farmacogenómica que busca diseñar drogas a la medida de la composición genética del paciente, la proteómica del cáncer y del envejecimiento que busca definir a las proteínas cuya expresión se correlaciona con el cáncer y con el proceso de envejecimiento y la genómica de la conducta que busca correlaciones genéticas para diversos comportamientos. Como base de todo esto surge con fuerza, la bioinformática, que es esencial para poder analizar la montaña de datos para seguir encontrando los tesoros escondidos en el libro del genoma.


Una esperanza para la geonómica en Chile

La alegría y el asombro que nos causa ser testigos de este maravilloso logro de la ciencia mundial se mezclan con una cierta tristeza de que Chile y sus científicos no hayan sido parte importante de esta aventura. Porque podríamos haberlo hecho. Estas tecnologías tienen la virtud de que son relativamente baratas. El total del costo del proyecto genoma humano en todo el mundo es equivalente al costo de un solo portaaviones y mucho menos de lo que cuesta una sola de las misiones de la NASA al espacio. Comprar todo el equipo necesario para tener un laboratorio de última generación en genómica requiere menos de un millón de dólares.

Brasil nos ha dado un ejemplo. En 1997, la Fundación para el Amparo de Pesquisa de Sao Paulo decidió incorporar a ese país en la genómica e hizo una inversión de 15 millones de dólares. El año pasado, ellos publicaron el primer genoma hecho en América Latina, el de la bacteria Xillela fastidiosa, un patógeno que ataca a los citrus. Ahora Brasil es el líder mundial en el genoma de la caña de azúcar, está haciendo estudios sobre los genes expresados en cáncer y recibiendo contratos desde Estados Unidos para hacer estudios de otras bacterias de importancia agrícola.

Siguiendo ese ejemplo, que el Presidente Lagos pudo observar cuando visitó la Universidad de Sao Paulo en julio del año pasado, nuestro país espera incorporarse a la era de la genómica en los próximos meses. CONICYT y el Ministerio de Economía han decidido dedicar parte del préstamo BID para desarrollo tecnológico, a un proyecto de genómica y bioinformática. La intención es que partamos con estudios de microorganismos de relevancia para la economía nacional como las bacterias que lixivian cobre de nuestros minerales. Una vez que contemos con la gente entrenada y la infraestructura adecuada en consorcios de laboratorios de varias universidades y empresas, podremos enfrentar desafíos más grandes como los genomas del salmón, la vid o la botritis, el hongo que tanto daña nuestra fruta. La belleza de la técnica y de la genómica es que es aplicable para cualquier organismo vivo. Sin duda también debemos estudiar las características de los genomas de los chilenos, tratando de encontrar las bases genéticas de enfermedades de alta prevalecía en nuestro país. Chile debe ser un actor en la era postgenómica como parte del desarrollo que piensa lograr en el siglo XXI.


Dr. Jorge Allende