Crean un lenguaje de programación para programar células vivientes

Unos bioingenieros han creado un lenguaje de programación que les permite diseñar rápidamente circuitos complejos codificados en el ADN, que proporcionan nuevas funciones a las células vivas.

Usando este lenguaje, cualquiera puede escribir un programa para la función que desee, como detectar y responder a ciertas condiciones medioambientales. El usuario puede después hacer que se genere una secuencia de ADN que pondrá en práctica la función escogida.

Se trata, literalmente, de un lenguaje de programación para bacterias. Además, el usuario emplea un lenguaje basado en texto, como cuando un informático programa para un ordenador. Una vez elaborado el texto de la programación, este se compila para convertirlo en una secuencia de ADN que puede ser colocada en la célula, y entonces el "circuito" funciona dentro de ella.

Este logro es obra del equipo de Christopher Voigt, biólogo sintético en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), en Cambridge, Estados Unidos.

Voigt, Alec Nielsen y sus colaboradores, entre quienes figuran científicos del MIT, así como de la Universidad de Boston y del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST), ambas entidades en Estados Unidos, han utilizado este lenguaje para construir circuitos que pueden detectar hasta tres señales (entradas de datos, input) y responder de formas diferentes. Como futuras aplicaciones para esta clase de programación, destaca la del diseño de células bacterianas que puedan producir un fármaco contra el cáncer cuando detecten un tumor, o crear células de levadura que puedan detener su propio proceso de fermentación si se acumulan demasiados subproductos tóxicos.

Los investigadores planean poner el interfaz de diseño de usuario a disposición del público en internet.

Un aspecto muy importante de este singular lenguaje de programación es que el usuario no necesita tener experiencia.

A lo largo de los últimos 15 años, biólogos e ingenieros han diseñado muchos componentes genéticos, como sensores, interruptores de memoria y relojes biológicos, que pueden ser combinados para modificar funciones celulares existentes y añadir otras nuevas, pero diseñar cada circuito es un proceso laborioso que requiere una gran experiencia y a menudo muchas pruebas de acierto y error.

Los usuarios del nuevo lenguaje de programación, sin embargo, no necesitan tener un conocimiento especial de ingeniería genética. Podríamos ser completamente ignorantes de cómo funciona todo ello. Esta es realmente la gran diferencia sobre la cuestión. Un estudiante de escuela secundaria podría conectarse al servidor disponible en internet, y confeccionar el programa que quiera tecleando las instrucciones, tras lo cual dicho servidor le suministraría la secuencia de ADN.

El lenguaje está basado en Verilog, usado muy habitualmente para programar chips de ordenador. Con el fin de crear una versión del lenguaje que funcione para células, los investigadores diseñaron elementos de computación tales como puertas lógicas y sensores que pueden ser codificados en el ADN de una célula bacteriana.

Crean piel artificial a partir de células madre

En los últimos años se han logrado numerosos avances en el campo de la medicina regenerativa. Es el caso, entre otros, de la ‘creación’ de células epiteliales a partir de células madre y su posterior agregación para formar un tejido cutáneo muy similar a la piel. El problema es que esta ‘piel artificial’ es solo eso, células epiteliales, por lo que carece de la mayoría de los elementos que, como las glándulas sebáceas, permiten que este órgano, el más grande del cuerpo humano, lleve a cabo sus funciones reguladoras. Sin embargo, investigadores del Centro RIKEN para la Biología del Desarrollo en Kobe (Japón) han logrado crear con éxito una ‘piel artificial’ que, una vez trasplantada, es capaz de llevar a cabo las funciones de la piel natural. O así sucede, cuando menos, en modelos animales –ratones.

Como explica Takashi Tsuji, director de esta investigación publicada en la revista «Science Advances», «hasta ahora, el desarrollo de tejidos cutáneos artificiales ha estado limitado por el hecho de que la piel creada carecía de algunos órganos importantes que permiten a la piel jugar su papel fundamental en la regulación del organismo».

Pero como destaca el director del estudio, «con nuestra nueva técnica hemos sido capaces de crear con éxito una piel que replica las funciones del tejido normal. Así, nos acercamos más al sueño de ser capaces de recrear los órganos en el laboratorio para su trasplante, y creemos que nuestro método puede ser utilizado como alternativa a los ensayos farmacológicos que se llevan a cabo con modelos animales».

Artificial, pero natural

Para llevar a cabo el estudio, los investigadores tomaron células de las encías de ratones y las transformaron en células madre pluripotentes inducidas (iPS) que posteriormente cultivaron en placas de laboratorio para crear ‘embrioides’ –esto es, agregados tridimensionales de células que actúan como un tejido embrionario en desarrollo.

Una vez generados los embrioides, fueron trasplantados en modelos animales –ratones– genéticamente modificados para desarrollar un sistema inmune deficiente. Y una vez trasplantados, los embrioides se diferenciaron para formar un tejido cutáneo normal siguiendo los pasos típicos del desarrollo embrionario.

Pero el estudio no acaba aquí. Una vez obtenido el tejido cutáneo a partir de la diferenciación de los embrioides, fue extirpado e implantado en la piel de otros ratones sin ninguna inmunodeficiencia, en los que se desarrolló de forma normal como tejido intertegumentario o tegumento –es decir, el tejido que se sitúa entre las capas interna y externa de la piel y que cumple muchas de sus funciones reguladoras, caso de la secreción de grasas o aceites o de que se nos ponga ‘la piel de gallina’.

Y esta piel artificial trasplantada, ¿no fue en ningún caso rechazada por los ratones huéspedes? Pues no. De hecho, resaltan los autores, «observamos que los tejidos implantados crearon conexiones con los nervios y fibras musculares circundantes, posibilitándose así su funcionalidad completamente normal».

La genética desmonta el mito de los falsos padres

Una leyenda urbana dice que más del 10% de los niños no son hijos del padre que los cría. La cifra, alimentada por supuestos estudios científicos y algunos laboratorios de prueba de paternidad, no parece descabellada. En otras especies donde se estila la monogamia como estrategia reproductiva, el porcentaje de crías concebidas fuera de la pareja es similar o mayor. Sin embargo, la genética de muestra que la falsa paternidad entre los humanos apenas llega al 1%.

En los mamíferos no hay muchas especies monógamas pero sí en otras clases de animales. Entre las aves paseriformes, en el 90% de las especies la norma son las parejas de larga duración. Sin embargo, en muchas ocasiones se trata de una monogamia social, poco practicada. Este comportamiento es una de las estrategias que la selección sexual ha ideado para asegurar el éxito reproductivo. Con sus aventuras extra matrimoniales, las hembras se aseguran el éxito reproductivo en caso de infertilidad del macho y la diversidad genética. Como los pájaros, los humanos tradicionalmente son monógamos sociales, pero ¿hasta qué grado?

Ellos parten del análisis del cromosoma Y. Al transmitirse exclusivamente por vía paterna y con escaso margen para la recombinación genética, hijos y padres biológicos deben compartir esta parte del genoma.

"El cromosoma Y es muy interesante ya que cuenta con diferentes marcadores con diferentes ratios de mutación", explica el biólogo belga.

Entre las investigaciones recogidas por este trabajo publicado en Trends in Ecology & Evolution, destaca la realizada en 2012 en Alemania,  que tenía por objetivo estudiar un problema genético de incompatibilidad entre padres e hijos para un transplante de médula ósea. La investigación, en la que participó casi un millar de padres e hijos sirvió para mostrar que apenas el 0,94% de ellos no tenían relación biológica alguna.

Sin embargo, este bajo porcentaje podría ser fruto más de la cultura que de la biología: ser ahora muy reducido y haber sido más elevado en el pasado. Esta objeción se basaría en que ahora existen métodos anticonceptivos y un conocimiento de las enfermedades de transmisión sexual que antes no existía. Ambos factores podrían enmascarar el porcentaje potencial y pasado de hijos fuera de la pareja.

Pero la investigación de Larmuseau no se limita a la cifra actual de falsos padres, sino que remonta sus cálculos varios siglos atrás, cuando solo existían métodos naturales de control de la natalidad.

Para determinar la ratio de los que no eran biológicamente hijos de sus padres, los investigadores aprovecharon que mientras unos marcadores genéticos tienen una frecuencia de mutación más o menos fija, otros rara vez cambian. Así pudieron comparar entre individuos del mismo linaje familiar y determinar que, entre los flamencos, el porcentaje de falsos padres en cada generación ha sido del 0,91% de media desde hace 400 años.

Tanto para Larmuseau como para Calafell, la ratio tan baja de padres que crían hijos que no son suyos entre los humanos en comparación a otras especies puede deberse a los potenciales costes para la mujer: la agresión física, el abandono, el divorcio o la sanción religiosa, operan para que las humanas no arriesguen como las aves.

El ADN perdido de los precolombinos

El análisis genético de las momias precolombinas reaviva los ecos de la “leyenda negra española” con sus evidencias sobre el exterminio de las poblaciones nativas

Los historiadores pueden pasarse otros 500 años discutiendo sobre la leyenda negra, que retrata a los españoles como “excepcionalmente crueles, intolerantes, tiránicos, oscurantistas, vagos, fanáticos, avariciosos y traicioneros”, según el colorido inventario del historiador Philip Wayne Powell. Documentar históricamente toda esa reata de adjetivos, o por el contrario denunciar su exageración o falsedad, no debe ser una tarea simple. Pero hay otro tipo de evidencias históricas, registradas en el ADN de cada una de nuestras células, que resulta de una naturaleza mucho más sustantiva. Y las que se han conocido esta semana van a ser difíciles de asimilar.

Los datos, obtenidos directamente de 92 momias y esqueletos precolombinos, aclaran en gran medida la historia de la colonización del continente; la colonización no por Colón, sino por los verdaderos descubridores de América, que llegaron allí 15.000 años antes que las carabelas y sin necesidad de dominar ninguna arte de navegación: aprovechando las postrimerías de la última glaciación, cuando una lengua de tierra se hizo practicable en el actual estrecho de Bering, pasando de Siberia a Alaska con la única ayuda de un buen par de botas.

La historia que cuenta el ADN mitocondrial de las momias –el que solo se transmite por línea materna— es que, poco después de la colonización original del continente, se establecieron por todo él decenas o cientos de poblaciones pequeñas y aisladas entre sí. Y el hecho más llamativo es que ni uno solo de esos linajes de ADN mitocondrial se ha podido encontrar en las poblaciones nativas actuales. Algunas momias tienen poco más de 500 años, de manera que todo indica que las poblaciones a las que pertenecían desaparecieron después de la llegada de los españoles al nuevo mundo.

El cuadro sigue pintando muy negro, pero ya no se trata exactamente de una leyenda. O hay una explicación alternativa para la desaparición de todos aquellos linajes mitocondriales –y tendría que ser una explicación en verdad muy extraña— o la lista de adjetivos de Powell puede haberse quedado incluso corta. El pasado cada vez encuentra más fácil volver a nuestro encuentro. Qué pesadilla.

Su hijo podría ser igualito que su padre. Y da mucho miedo

Investigadores chinos están detrás de una polémica técnica para ‘cortar’ genes indeseados y ‘pegar’ otros mejores en embriones humanos

El pasado diciembre, cuando en París se celebraba la Cumbre del Clima, otra reunión de alto nivel internacional –mucho menos mediática, pero asimismo con implicaciones trascendentales– tenía lugar en Washington (Estados Unidos) de forma mucho más discreta: la Cumbre Internacional sobre la Edición del Genoma Humano, entre el 1 y el 3 de diciembre. 

La conferencia se convocó a raíz de un hecho científico sin precedentes ocurrido a principios de año: la modificación del genoma de unos embriones humanos –no viables–, obtenidos en clínicas de fertilidad, realizada por investigadores chinos de la Universidad Sun Yat-sen de Guangzhou, al sur del país.

A lo que aspiraron en ese momento fue a reparar, sin éxito, el gen responsable de una enfermedad de la sangre potencialmente mortal (la beta-talasemia). Pero el solo hecho de que lo hubieran intentado – y que el resto del mundo se hubiera enterado a toro pasado– desató las alarmas y suspicacias de la comunidad científica internacional. Como era de esperar, la cumbre evidenció una divergencia de criterios éticos que dista mucho de poder ser consensuada.

Uno de los grandes hitos científicos de 2015

Los científicos asiáticos emplearon una revolucionaria técnica de edición genética conocida como CRISPR-Cas 9, que la revista Science calificó de hito científico de 2015. Las siglas responden a Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic, que en español se denomina Repetidos Cortos Palindrómicos Aglomerados Regularmente Interespaciados. Palabrejas científicas aparte, podríamos definir a los CRISPRs como secuencias cortas que se repiten dentro del ADN y que se leen igual del derecho que del revés (de ahí lo de palindrómicos). Estas secuencias repetidas se hallan en muchos tipos de microorganismos, como bacterias o arqueas, seres unicelulares ancestrales a los que les debemos el origen de la vida en la Tierra. El añadido Cas 9 es importante: hace referencia a unos genes que, asociados a los CRIPRs, generan unas proteínas, las nucleasas, capaces de realizar hazañas increíbles. La técnica CRISPR permite alterar el genoma de forma fácil, eficaz y barata. Resumiendo, el sistema CRISPR-Cas 9 es un fantástico sistema de defensa con el que estos microorganismos se defienden de ataques externos como los perpetrados por los virus. Las nucleasas no solo saben destruir el ADN viral, sino que son capaces, además, de coger parte del material genético del enemigo e integrarlo dentro de sus secuencias CRISPR, lo que le otorga al microorganismo inmunidad frente a futuros ataques. Y no solo a él, también a su descendencia. Wow, pensaron muchos investigadores. ¿Y si ese sistema de defensa pudiera ser introducido en las células de otras especies, también la humana, con el objetivo de editar su ADN? ¿Y si se pudiera utilizar para cortar genes indeseados y/o añadir otros más favorables? Tras años de investigación, dos bioquímicas, la francesa Emmanuelle Charpentier y la estadounidense Jennifer Doudna, demostraron por separado, en 2012, que eso era posible: el CRISPR-Cas 9 podía ser utilizado como una verdadera tijera molecular con la que editar el abecedario genético. Fue un hallazgo que ha hecho historia y por ello, en 2015, obtuvieron el Premio Princesa de Asturias de Investigación Científica y Técnica.

Sus estudios, según recoge el acta del premio, “han conducido al desarrollo de una tecnología que permite modificar genes, con gran precisión y sencillez en todo tipo de células, posibilitando cambios que suponen una verdadera edición del genoma. Esta metodología permite eliminar, activar, inactivar, incluso corregir, cualquier gen, dando lugar a diversas aplicaciones tanto en investigación básica como en agricultura, ganadería y biomedicina y abre así la posibilidad de desarrollar tratamientos dirigidos a enfermedades genéticas que actualmente carecen de terapias eficaces”.

PRIMEROS ANIMALES

Esas ‘tijeras genéticas’ ya han sido probadas en cultivos de células humanas. Además, se han utilizado, entre otras cosas, para ‘customizar’ el genoma de dos macacos gemelos y para crear (eliminando el gen que produce la miostatina, limitante de la formación de masa muscular) dos perros Beagle extramusculados. El descubrimiento, de inmenso potencial, espoleó a otro investigador, el chino Feng Zhang, del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), a conseguir antes que nadie gran parte de la patente del uso de CRISPR con animales y humanos en EE UU, tras aportar la documentación que demostraba que él había descubierto el sistema de marras en primer lugar. Como era de esperar, quién hizo qué y cuándo ha desencadenado un verdadero culebrón y un litigio que espera sentencia. ¿El objetivo? Conseguir una porción de un pastel que promete ser de lo más lucrativo. Y polémico. Porque… ¿servirá para mejorar las producciones agrícolas y contribuir a paliar el hambre en el mundo? ¿Podrá aplicarse, como se prevé, a la erradicación de la malaria, soltando en áreas afectadas mosquitos con el ADN manipulado para que, al cruzarse con sus congéneres portadores, logren una descendencia que no transmita el paludismo? ¿Será útil para acabar con devastadoras enfermedades de origen génico? ¿O se utilizará para otros fines más peliagudos como por ejemplo replicar genéticamente bebés de diseño, modificar el carácter de las personas o fabricar bioarmas?

 Mientras muchos animales son manipulados, todavía no se han sentado las bases de lo que es o no es permisible en este campo. Para más inri, la técnica CRISPR permite alterar el genoma de forma fácil, eficaz y barata. La Unesco (Organización de las Naciones Unidas para la Educación, la Ciencia y la Cultura) ha pedido una moratoria para debatir qué se puede hacer y qué no, especialmente con el genoma humano, para evitar una manipulación inmoral en los rasgos hereditarios, y opina que las intervenciones “deberían admitirse solo por razones de prevención, diagnóstico y terapia, sin que implique modificaciones para los descendientes”.

El ADN aclara el origen de los humanos de Atapuerca

Hace 430.000 años, al menos 28 niños y adultos de ambos sexos murieron y quedaron sepultados en una cueva de la Sierra de Atapuerca, en Burgos. Cuando los paleoantropólogos los encontraron, bautizaron el sitio como la Sima de los Huesos, ya que de allí sacaron más de 6.700 restos fósiles humanos. Aún no está claro si era una trampa mortal o una tumba con sentido religioso, pero, con el tiempo, la investigación sobre lo que allí sucedió se ha convertido en un referente mundial para el esclarecimiento de los capítulos más desconocidos de la evolución humana.

Ahora, por primera vez en la larga historia, se ha conseguido analizar ADN nuclear de dos de los individuos de la sima. Se trata de material genético extraído del núcleo celular, el más antiguo jamás analizado. El simple hecho de haber conseguido rescatarlo a partir de unos pocos microgramos de hueso molido de un fémur, varios dientes y escápulas, es ya un logro histórico. Pero lo más interesante es la historia que desvela.

Los homínidos de Atapuerca serían neandertales arcaicos, ancestros de los que habitaron Europa y se cruzaron con los sapiens

El equipo de paleoantropólogos que dirige las excavaciones de Atapuerca cree que los 28 humanos allí sepultados son neandertales arcaicos, ancestros de los miembros más modernos de esta especie que vivió en Europa hasta hace unos 40.000 años y con los que los sapiens tuvimos sexo e hijos. En 2013, gracias a la colaboración de un equipo especialista en recuperar ADN antiguo de los fósiles dirigido por Svante Pääbo, del Instituto de Antropología Evolutiva Max Planck en Leipzig, Alemania, lograron extraer por primera vez ADN de uno de estos individuos. Los resultados mostraron un inesperado parentesco con los denisovanos, otros homínidos que vivían en los remotos montes Altái de Siberia y cuyo descubrimiento se anunció en 2010.Ese parentesco era más estrecho que con los propios neandertales. Pero en aquella ocasión el tipo de ADN analizado era mitocondrial y por tanto solo ofrecía información de la línea materna.

El nuevo análisis aporta ahora la otra mitad de la historia, ya que el ADN nuclear lleva información tanto del linaje del padre como de la madre. En un estudio publicado hoy en Nature los responsables de esta investigación dicen que los humanos de la sima tenían un parentesco mucho más estrecho con los neandertales que con los denisovanos. De esta forma, el ADN confirma que los homínidos de Atapuerca serían neandertales arcaicos, ancestros de los que después conquistaron Europa y se cruzaron con los sapiens.

Pero el estudio también reafirma que el ADN mitocondrial, el de la línea materna, sigue emparentando a sus portadores con los denisovanos. Los neandertales posteriores tenían un ADN mitocondrial diferente, aunque aún no está claro por qué. Ante esta pieza que no encaja, algunos de los autores del estudio especulan que tal vez se deba a que una población de neandertales posterior habría llegado desde África a Europa, se habría cruzado con los grupos europeos y el ADN de sus mujeres habría acabado siendo dominante y diluyendo los restos aportados por los denisovanos.

“Estos resultados nos dan importantes puntos de referencia en la línea temporal de la evolución humana”, ha explicado Svante Pääbo en un comunicado de prensa del Max Planck. Los datos “son consistentes” con la hipótesis de que los sapiens nos separamos como especie de los otros “humanos arcaicos” hace entre 550.000 y 750.000 años, destaca. Además, queda claro que la divergencia de neandertales y denisovanos a partir de un ancestro común sucedió antes de hace 430.000 años, la fecha de la Sima.

Como suele ser habitual, el análisis del ADN antiguo da otro revolcón a la versión clásica de la evolución humana. “Por un lado simplifican la historia evolutiva de estos humanos y por otro la complica”, reconoce José María Bermúdez de Castro, codirector de Atapuerca y uno de los responsables del estudio. En 2014, el equipo decidió retirar a los homínidos de la sima su clasificación como especie Homo heidelbergensis, explica. Desde entonces están en una especie de limbo científico, sin especie asignada, pero con unas similitudes morfológicas neandertales muy claras, una conexión que confirma ahora el ADN. “La historia que ahora vemos es muy complicada, con una genealogía neandertal que tenía varias ramas, diferentes linajes” que ocupaban diferentes zonas y que podían reproducirse los unos con los otros, explica. Ahora, “lo que queda por determinar es si en la sima estamos ante una especie o una subespecie de neandertales”, agrega Bermúdez de Castro.

El equipo cree que posiblemente se pueda extraer más ADN nuclear en el futuro, lo que desvelaría nuevos capítulos de la aún misteriosa historia que rodea a los 28 cadáveres de la Sima de los Huesos. Uno, fundamental, es si eran todos miembros de una misma familia. “Sinceramente, pensamos que se encontrarán pruebas de ello”, concluye Bermúdez de Castro.

Nacen en España las primeras niñas libres del gen del cáncer de mama

Laura prefiere mantener en secreto su nombre real, y también el de sus hijas. Pongamos que se llaman Claudia y Andrea. Su tatarabuela, su bisabuela y su abuela antes que ellas murieron de cáncer de mama. Su madre también es portadora de una mutación en el gen BRCA, pero se negaba a seguir transmitiendo esa herencia genética.

"Cuando mi madre fue diagnosticada por segunda vez (en el primer tumor tenía sólo 30 años), el oncólogo nos sugirió hacer un estudio genético porque también su madre y su abuela habían muerto de cáncer a una edad temprana", cuenta desde algún lugar de Galicia.

"Al principio yo no quise saber si era portadora, pero una revisión me llevé un pequeño susto y decidí hacerme el estudio porque ya me estaba planteando tener familia". El estudio indicó que ella también era portadora de una mutación en el gen BRCA2, una anomalía implicada en un 5-10% de los tumores de mama, pero que también eleva el riesgo de cáncer de ovario.

Laura tenía claro que quería ser madre, pero también que no quería transmitir esa herencia a sus hijos, así que consultó en uno de los centros del Instituto Valenciano de Infertilidad (IVI) en Galicia la posibilidad de someterse a un diagnóstico genético preimplantacional.

Un procedimiento que, como explica el doctor Elkin Muñoz, director de IVI Vigo y ginecólogo de Laura, permite seleccionar los embriones que no son portadores de la mutación del cáncer.

Aunque esta técnica puede usarse ya en algunas enfermedades monogénicas (es decir, causadas por un solo gen), en el caso del cáncer hereditario es la Comisión Nacional de Reproducción Asistida del Ministerio de Sanidad la que debe autorizarlos uno por uno. Como explica el doctor Muñoz, esta comisión evalúa los antecedentes familiares y reproductivos de la mujer para confirmar que, efectivamente, la mutación podría causar la aparición precoz de la enfermedad en la descendencia.

Seis meses después de pedir permiso, Laura y su marido obtuvieron el visto bueno de la Comisión para iniciar el proceso de reproducción asistida y elegir únicamente los embriones libres de la herencia. De los 11 embriones obtenidos, tres de ellos estaban libres del BRCA. Dos se implantaron y uno se congeló por si decidían ser madres en el futuro ("creo que no, que ya nos plantamos" se ríe Laura). La implantación de los embriones tuvo éxito a la primera y el pasado mes de julio nacieron Claudia y Andrea. Antes que ellas, sólo dos niños varones (en Barcelona y en Zaragoza) habían nacido libres del gen del cáncer de mama en España. . Como explica el doctor Elkin Muñoz, también se han autorizado ya casos para evitar la transmisión en familias con síndrome de Lynch y cáncer de tiroides hereditario.

Laura está esperando a que las pequeñas crezcan unos meses para someterse a una mastectomía preventiva. "Después me quitaré también los ovarios". Sus hijas podrían tener un cáncer de mama en el futuro, como una de cada 10 o 12 mujeres a lo largo de su vida. Pero la ciencia les ha librado de una herencia macabra que hacía este diagnóstico algo casi inevitable. Laura está feliz con la decisión: «Cuando sean mayores se lo contaré».