Una primicia gigantesca: ADN de 52.000 años en 3D
En 2018, un equipo internacional de científicos, de laboratorios en Houston; Copenhague, Dinamarca; Barcelona, España; y más allá, consiguieron un espécimen biológico notable:
una muestra de piel de un mamut lanudo de 52.000 años de antigüedad que había sido recuperada del permafrost en Siberia.
Sondearon la muestra con una técnica experimental innovadora que reveló la arquitectura tridimensional del genoma del mamut.
El artículo resultante fue publicado el jueves en la revista Cell.
Hendrik Poinar, genetista evolutivo de la Universidad McMaster en Canadá, quedó “desconcertado”:
Video
Combinando la física de polímeros y los datos de PaleoHi-C, los investigadores reconstruyeron cómo los cromosomas de los mamuts lanudos se plegaban y fluctuaban dentro de los núcleos celulares hace decenas de miles de años. Animación de Vinícius Contessoto, Antonio Oliveira Jr., José Onuchic /Center for Theoretical Biological Physics
la técnica había capturado con éxito la geometría original de largos tramos de ADN, una hazaña nunca antes lograda con una muestra de ADN antigua.
«Es absolutamente hermoso», dijo Poinar, quien revisó el artículo para la revista.
Erez Lieberman Aiden, director del Centro de Arquitectura Genómica del Baylor College of Medicine de Houston. Foto Brandon Thibodeaux para The New York TimesEl método típico para extraer ADN antiguo de fósiles, dijo Poinar, sigue siendo «una especie de hombre de las cavernas».
Produce breves fragmentos de código compuestos por un alfabeto molecular de cuatro letras: A (adenina), G (guanina), C (citosina), T (timina).
El genoma completo de un organismo reside en los núcleos celulares, en largas cadenas de ADN no fragmentadas llamadas cromosomas.
Y, fundamentalmente, el genoma es 3D.
A medida que se pliega dinámicamente con complejidad fractal, sus puntos de contacto en bucle ayudan a dictar la actividad genética.
El tronco de un mamut lanudo de 39.000 años de antigüedad apodado Yuka que también aportó cromosomas fósiles en el estudio. Foto Love Dalén/Universidad de Estocolmo«Tener la estructura arquitectónica real del genoma, que sugiere patrones de expresión genética, es otro nivel», dijo Poinar.
«Es un nuevo tipo de fósil, un cromosoma fósil», dijo Erez Lieberman Aiden, miembro del equipo que es matemático aplicado, biofísico y genetista y dirige el Centro de Arquitectura del Genoma del Baylor College of Medicine en Houston. T
écnicamente, señaló, se trata de un fósil no mineralizado o subfósil, ya que no se ha convertido en piedra.
La información obtenida de estos fósiles de cromosomas sin duda ayudará a los planes para “desextinguir” animales como el mamut lanudo.
Piel de un mamut lanudo de 52.000 años de antigüedad tras su extracción del permafrost siberiano. Foto Love Dalén/Universidad de EstocolmoTres miembros del equipo de investigación forman parte del consejo asesor científico y tienen opciones sobre acciones en Colossal Biosciences, una empresa que espera resucitar al mamut, el tigre de Tasmania y el dodo.
Colossal Biosciences no proporcionó financiación ni apoyo para la investigación.
Y los datos genómicos en 3D también serán útiles en los esfuerzos por salvar de la extinción a los organismos existentes.
«Dada la crisis climática en la que nos encontramos actualmente, existen grandes interrogantes sobre la rapidez con la que los animales pueden adaptarse a los patrones de calentamiento o enfriamiento», dijo Poinar.
«En ese sentido, es fantástico estudiar a los mamuts, porque viajaron a grandes distancias a lo largo de su vida y se enfrentaron a diferentes climas y entornos».
Azar
Recuperar tal reliquia fue extremadamente fortuito. «Es tan misterioso que estas cosas existan», dijo Aiden.
“¿Por qué persisten todavía estos cromosomas fósiles?”
En su artículo, los investigadores se basaron en la física y plantearon la hipótesis de que el mamut se había «liofilizado espontáneamente» en el frío de Siberia.
Las células pasaron a un estado similar al vidrio, lo que impidió el movimiento molecular y así conservó la forma o morfología de los cromosomas hasta los bucles genómicos de 50 nanómetros.
Ragini Mahajan, estudiante de doctorado en el laboratorio de Houston, acuñó el término «cromovidrio».
A Aiden le gusta llamarlo «cecina de mamut lanudo».
‘Origami genómico’
El gigantesco estudio, que lleva una década en preparación, se basó en investigaciones innovadoras realizadas por Aiden y sus colaboradores en 2009 y 2014.
Olga Dudchenko, cuyos conocimientos se sitúan en la intersección de la física aplicada, las matemáticas y la genómica. Foto Brandon Thibodeaux para The New York TimesEn una obra maestra de “origami genómico”, el trabajo anterior proporcionó los primeros mapas 3D de alta resolución de genomas plegados.
E impulsó la invención de una técnica llamada «Hi-C» (no relacionada con la bebida de frutas, excepto como una especie de mascota de laboratorio; Aiden guarda un montón de cajas de jugo en su oficina).
La técnica probó la arquitectura tridimensional de genomas completos y resolvió un problema desconcertante.
Un genoma es como un libro que contiene toda la información genética de un organismo.
La secuenciación de ADN extrae y lee páginas individuales del libro, pero sin números de página.
Hi-C pone las páginas en orden.
Aiden se preguntó si este protocolo podría aplicarse a especímenes antiguos:
Puso su mirada en el mamut lanudo.
Cynthia Pérez Estrada, neurocientífica y genómica y miembro del equipo del laboratorio de Houston, llevó a cabo una fase inicial de “experimentos locos” que se aceleró en el Día de Acción de Gracias de 2016.
“Erez nos invitó a cenar, yo recogí los huesos de pavo y comencé a actuar con experimentos”, recordó Pérez Estrada.
¿podemos recuperar la arquitectura del genoma a partir de muestras degradadas?»
animales atropellados, los adornos de cuero de su mochila, las sobras de sus amigos que había dejado pudrirse afuera en el calor abrasador de Houston.
Una vez que Pérez Estrada se sintió algo optimista acerca de la perspectiva, le envió un correo electrónico a Love Dalén, genetista de la Universidad de Estocolmo.
“Acerca de los mamuts, Love es la persona con quien hablar”, dijo.
Pronto se unió al equipo.
Dalén presentó a los investigadores a Thomas Gilbert, director del Centro de Hologenómica Evolutiva de la Universidad de Copenhague.
Gilbert ha investigado durante mucho tiempo la paleogenómica de muchas especies.
«Cuando escuché cómo funcionaba Hi-C, se me ocurrió que, en teoría, debería funcionar en ADN antiguo», dijo.
Apuntando al mismo objetivo, el mamut, los dos laboratorios unieron fuerzas.
Marcela Sandoval-Velasco, una paleogenómica que entonces era miembro del equipo del laboratorio de Copenhague, pasó horas “descifrando protocolos” y modificando los experimentos en un intento de hacer que las muestras del museo cooperaran.
Sandoval-Velasco y Pérez Estrada se visitaron de ida y vuelta.
Probaron abejas, hormigas, asnos salvajes, peces, trozos de cráneo de oso polar y restos encurtidos del último gran alca.
“Pero a pesar de estos fracasos y algunos éxitos, aprendimos algo muy importante”, dijo Pérez Estrada.
«Para que estos experimentos funcionen, la muestra tendría que conservarse de una manera muy específica«.
Sandoval-Velasco, ahora en la Universidad de México, señaló que “con ADN antiguo, el 1% del resultado de la secuenciación serán datos del organismo que le interesa.
El noventa y nueve por ciento será un charco de contaminación ambiental, microbiana y humana”.
En 2019, Dalén compartió un espécimen de un mamut lanudo recientemente excavado apodado Chris Waddle, en honor a un jugador de fútbol británico conocido por su salmonete (aunque el mamut era hembra).
Cuando Sandoval-Velasco probó esta gigantesca muestra, el experimento funcionó.
Pero ella no lo supo hasta que se analizaron los datos.
Justo cuando llegó la pandemia de COVID-19, visitó a Marc Marti-Renom, genómico estructural y miembro del equipo que dirige el Centro Nacional de Análisis Genómico de Barcelona.
Su laboratorio realizó algunos “masajes computacionales” a los datos experimentales, dijo Marti-Renom.
“Nadie creía que la estructura pudiera estar ahí”, recordó Juan Antonio Rodríguez, investigador y miembro del equipo en Barcelona, ahora en la Universidad de Copenhague.
«El primer mapa del genoma en 3D que generamos no fue bueno, pero sí muy prometedor», afirmó.
«Así que simplemente modificamos el método aquí y allá, y luego, eureka, obtuvimos un increíble mapa en 3D».
La diferencia del 4,1%
Una vez que los investigadores obtuvieron la señal 3D, pudieron examinar cómo se plegó el genoma del mamut de 52.000 años.
Un hallazgo notable fue que se conservaron las características clásicas de los cromosomas modernos, en muchas escalas.
Olga Dudchenko, investigadora del laboratorio de Houston cuya experiencia se encuentra en la intersección de la física aplicada, las matemáticas y la genómica, realizó maravillas algorítmicas a lo largo del estudio.
Y para comparar lo antiguo con lo moderno, reunió el genoma de un elefante asiático, una especie en peligro de extinción y el pariente vivo más cercano del mamut.
(Las muestras necesarias fueron proporcionadas por Methai, la matriarca de 55 años de la manada en el Zoológico de Houston, y un elefante asiático fallecido en el Zoológico de San Antonio).
Los genomas del elefante y del mamut eran sorprendentemente similares:
Especímenes almacenados en frío en el Centro de Arquitectura Genómica. Foto Brandon Thibodeaux para The New York Timescada uno tenía 28 cromosomas, lo que no es sorprendente, pero sí una confirmación valiosa.
“Esto hace que sea realmente obvio que debemos haber hecho esto bien”, dijo Aiden.
«Es una prueba de principio para la tecnología».
Pero Dudchenko señaló que una comparación de los dos genomas 3D mostró que alrededor de 800 genes en la piel (el 4,1% del total) exhibían diferentes perfiles de actividad.
Una clase de genes diferentes pertenecía al desarrollo de los folículos pilosos y a la regulación del crecimiento del cabello.
«Estos genes nos dan un tipo diferente de pista sobre por qué el mamut lanudo era lanudo«, dijo Aiden.
Que estas pistas existan parecía “ridículo”, añadió.
Para comprender mejor cómo la muestra pudo haberse conservado tan bien, los investigadores recurrieron tanto a la física como a las matemáticas.
Dudchenko tradujo los patrones de plegado del genoma del mamut en curvas que llenan el espacio y paseos aleatorios.
Propuso un modelo simple y demostró un teorema que describe cómo se degradarían los cromosomas a lo largo de milenios:
un raro atisbo de certeza en el confuso mundo de la biología.
De todos modos, admitió Aiden, hay “cierta confusión en torno a esta teoría”.
«Hay algunas formas diferentes en las que esto podría corresponder a la disposición exacta de los átomos en el universo», dijo, «y no sabemos al 100% cuál es la respuesta».
c.2024 The New York Times Company