Tengo la agradable obligación, como responsable de la sección La biotecnología de la salud en el espejo, de introducir el cambio en la autoría del editorial, habitualmente a mi cargo, que acompaña la entrega del artículo de José Luis García sobre los nuevos avances en secuenciación genómica,

Ya he expresado en algunas de mis reflexiones la importancia del análisis histórico para comprender el dónde estamos a partir del dónde venimos .En esta entrega que aborda los progresos técnicos, con apoyo en las tecnologías informáticas, que persiguen el objetivo del abaratamiento y el acortamiento de los procesos de secuenciación aplicados al genoma de los humanos, me ha parecido oportuno invitar a un joven y brillante historiador de la medicina moderna, a la que ha llegado desde su formación y preocupación como comunicador, para que comparta con todos nosotros sus investigaciones sobre los trabajos pioneros de Fred Sanger, uno de los pocos científicos que ha obtenido dos premios Nobel en su vida.

Miguel García-Sancho es licenciado en Periodismo por la Universidad Complutense de Madrid. Tras cinco años de exitoso trabajo, financiado con becas de diferentes instituciones, en el Imperial College de Londres alcanzó el grado de doctor en dicha institución por medio de un programa en colaboración con el Departamento de Filosofía de la Ciencia de la Universidad Autónoma de Madrid. Tras una nueva estancia de medio año en el Departamento de Historia de la Ciencia en la Universidad de Manchester, ha regresado a España al Centro de Ciencias Humanas y Sociales del CSIC en Madrid para trabajar, como investigador posdoctoral en el Instituto de Filosofía, Departamento de Ciencia, Tecnología y Sociedad, en estrecha colaboración con la Dra. María Jesús Santesmases, Investigadora Científica del CSIC y con importantes contribuciones sobre la historia de la moderna biología.

Emilio Muñoz.

Esta entrega de La biotecnología en el espejo aborda la secuenciación rápida y a gran escala de ADN. El ADN es la sustancia de la que nuestros genes están hechos y determinar la estructura lineal o secuencia de unidades químicas que lo conforman se ha convertido en un objetivo prioritario de la biomedicina. En los últimos 20 años han proliferado laboratorios públicos y privados que, como cadenas de montaje, determinan una secuencia tras otra con ayuda de técnicos y maquinaria [1]. Uno de sus objetivos es encontrar las alteraciones que caracterizan la secuencia genética de los pacientes con cáncer, diabetes u otras enfermedades con un componente hereditario. Ésta es una promesa fundamental de la medicina personalizada, un campo en el que diversas instituciones – entre ellas el Instituto Roche – han concentrado sus esfuerzos.

El desarrollo de laboratorios-fábrica lleva a asociar inconscientemente la secuenciación con los importantes avances que han tenido lugar en torno a la molécula de ADN. La proliferación de secuencias ha sido paralela a la de relatos en los que la secuenciación se presenta como un eslabón más en una serie de revoluciones biomédicas que comenzaron con la determinación de la doble hélice de ADN (1953), siguieron con el desciframiento del código genético, y culminaron con las técnicas recombinantes, las llamadas nuevas biociencias (biotecnología, bioinformática y genómica) y el recientemente concluido Proyecto Genoma Humano [2]. Sin embargo, un análisis más riguroso revela que la secuenciación surge históricamente como técnica artesanal, inicialmente alejada de las investigaciones sobre el material genético.

Fred Sanger y la secuenciación manual de proteínas

La primera persona en secuenciar una molécula biológica de gran tamaño fue Fred Sanger entre 1945 y 55. Sanger trabajaba entonces en el Departamento de Bioquímica de la Universidad de Cambridge (Reino Unido) y dirigió sus esfuerzos hacia la insulina, proteína encargada de procesar los azúcares que ingerimos. Cuando Sanger inició su proyecto en los años 40, el ADN no se había establecido aún como molécula que conforma el material genético. El grupo en el que trabajaba Sanger, además, pertenecía a una rama de la bioquímica interesada en el análisis estructural de proteínas y ajena a los debates sobre la naturaleza del material genético, que paradójicamente en esa época se creía proteica.

La secuenciación no se puso en contacto con el discurso genético hasta la segunda mitad de los 50, cuando Sanger ya había completado la estructura primaria de la insulina (1955) y buscaba nuevos horizontes para sus técnicas. Entonces otros investigadores también radicados en Cambridge – en el famoso Laboratorio Cavendish – convencieron a Sanger para que aplicase sus técnicas a un problema derivado de la doble hélice de ADN, que se había dilucidado unos pocos años atrás. La doble hélice había sido resuelta, entre otros, por investigadores del Cavendish – uno de ellos Francis Crick, líder de los contactos con Sanger – y establecido el ADN como molécula que conforma nuestros genes. Una cuestión aún por resolver era el código genético o cómo una determinada secuencia de nucleótidos – unidades químicas del ADN – genera una determinada secuencia de aminoácidos – unidades químicas de las proteínas.

Figura 1: El mecanismo del código genético se inicia con la transcripción o copia de la secuencia de nucleótidos de un gen (fragmento de ADN) en una molécula intermedia denominada ARN mensajero. El ARN mensajero viaja del núcleo celular a unos compartimentos llamados ribosomas y allí se combina con otro tipo de ARN (de transferencia) con nucleótidos a un lado y aminoácidos a otro. Cada codón o triplete de nucleótidos, en función de su secuencia, está unido a un aminoácido específico. Los aminoácidos se unen entre sí y forman la cadena de la proteína, que posteriormente se pliega tridimensionalmente. El código genético (qué tripletes de nucleótidos determinan qué aminoácidos) fue descifrado entre 1955 y 67 con un papel secundario de la secuenciación.

Si Sanger continuaba secuenciando proteínas y aplicaba sus técnicas al ADN sería, en principio, sencillo emparejar una determinada secuencia de nucleótidos con una determinada secuencia de aminoácidos. Las dotes persuasorias de Crick llevaron a Sanger a aceptar el desafío y en 1962 ambos se mudaron, junto con otros investigadores del Cavendish, al Laboratorio de Biología Molecular, inaugurado ese mismo año por el Medical Research Council británico. Este laboratorio buscaba el desarrollo de la biología molecular, disciplina de la que Crick se consideraba uno de los fundadores.

Sanger diseñó en el nuevo laboratorio técnicas de secuenciación de ARN – molécula mediadora en el código genético – y ADN, estas últimas entre 1975 y 77. La secuenciación, por lo tanto, no se aplicó al material genético hasta un estadio tardío de su desarrollo como práctica científica. Dicho tránsito tuvo lugar, además, en un laboratorio de biología molecular, disciplina emergente que se erigió como dominante en la investigación biomédica a partir de los años 60. Las técnicas de Sanger contribuyeron a que los biólogos moleculares se centrasen crecientemente en la información contenida dentro de la secuencia del ADN [3].

Automatización y rol de los ordenadores

Sanger nunca se planteó automatizar sus técnicas de secuenciación de proteínas o ADN. Hasta su jubilación en 1983, después de ganar dos Premios Nobel, aplicó sus métodos a organismos sencillos (virus) sin eliminar su carácter manual. El desarrollo de secuenciadores automáticos se produciría al otro lado del Atlántico, fruto de las ambiciones de Leroy Hood y un grupo de investigadores en el Instituto Tecnológico de California (Caltech).

El grupo de Hood había sido formado en valores y actitudes sustancialmente diferentes a los de Cambridge y muchas instituciones estadounidenses. Dados los mecanismos de financiación de una escuela técnica como Caltech – por contratos más que inversiones continuadas del gobierno u organismos privados – Hood y sus discípulos estaban más presionados a producir resultados tangibles a corto plazo. Por ello consideraban conveniente automatizar las tareas rutinarias del laboratorio, y no rechazaban el formalizar acuerdos con empresas para comercializar los frutos de su trabajo.

El grupo de Hood utilizaba habitualmente en sus investigaciones la secuenciación, considerándola una práctica tediosa y monótona. Sus miembros se propusieron automatizarla y a finales de los 70, ya contaban con un secuenciador de proteínas que mejoraba otros modelos existentes en el mercado. En 1981, Hood convenció a una serie de inversores para crear una empresa start-up, Applied Biosystems, que comercializaría el secuenciador de proteínas y desarrollaría, en colaboración con Caltech, un aparato automático similar para secuenciar ADN.

Las técnicas de Sanger presentaban, no obstante, importantes obstáculos para su automatización. El paso más complicado era la lectura de la secuencia, que requería la interpretación, por parte del investigador, de un patrón de bandas negras distribuido a lo largo de una película transparente similar al papel fotográfico. El investigador debía observar cada banda y determinar, a partir de su posición en la película, a qué nucleótido de ADN correspondía. El ojo del investigador, una vez adiestrado, podía distinguir las bandas de manchas en el papel y corregir ligeramente su posición. Sin embargo, cualquier aparato automático se bloqueaba ante el más mínimo imprevisto.

El principal mérito del grupo de Hood fue adaptar la lectura de la secuencia al ordenador, que en los años 80 se consolidaba como el procesador automático por excelencia. Para ello, transformó el patrón de bandas negras, distribuido horizontal y verticalmente por la película, en una tira vertical agrupada de bandas de color, empleando un color diferente para cada nucleótido: adenina, citosina, guanina y timina. Un rayo láser recorría la tira y la transformaba en información digital fácilmente procesable por el ordenador.

	Técnica de secuenciación manual ADN
	Técnica de secuenciación automática
Figura 2: El patrón de bandas negras producto de la secuenciación manual de ADN frente a la hilera de colores generada por el grupo de Hood en Caltech. Junto a ellas, enlaces a animaciones de las técnicas manuales y automáticas de secuenciación.

No se trataba de la primera vez en que secuenciación y ordenadores confluían [4]. A finales de los 70, poco después de sus técnicas de ADN, el grupo de Sanger incorporó proto-ordenadores personales para almacenar y editar las secuencias. Sin embargo, mientras en el caso de Sanger la técnica ya estaba diseñada de forma manual, el grupo de Hood modeló el proceso de secuenciación para su procesamiento informático.

Esto se tradujo en distintas actitudes ante el uso del ordenador, influidas en parte por las diferencias institucionales entre Cambridge y Caltech. El software diseñado en el laboratorio británico durante los 80 automatizó gradualmente el procesamiento de las bandas negras, pero nunca eliminó el papel del usuario para verificar la exactitud de la secuencia. De hecho, cuando Applied Biosystems lanzó su primer secuenciador de ADN comercial – el modelo 370A en 1986 – varios investigadores acostumbrados a las técnicas manuales se quejaron de la imposibilidad de comprobar las secuencias [5].

Sin embargo, el modelo de secuenciación que minimizaba la intervención humana se impuso gradualmente y acabó por ser adoptado hasta por sus críticos. El Proyecto Genoma Humano, iniciado en 1990, dio pie a grandes centros en los que rapidez y productividad se imponían al carácter artesanal de la secuenciación. En 1998 apareció Celera Genomics, empresa privada basada en las mismas premisas e impulsada por los fundadores de Applied Biosystems. Automatización y racionalización se han convertido así en los rasgos distintivos de la secuenciación en los últimos 20 años.

¿Qué hay de nuevo en las ‘nuevas biociencias’?

De este recorrido histórico se desprende que la revolución biomédica anunciada al calor del Proyecto Genoma Humano es una cuestión de uso más que de aparición de nuevas tecnologías. La secuenciación como técnica científica presenta una trayectoria de más de medio siglo, desarrollada a través de prácticas cambiantes en función de diferentes contextos históricos. El uso que Sanger hizo de la secuenciación no fue el mismo en el Departamento de Bioquímica que en el Laboratorio de Biología Molecular de Cambridge, y similarmente el papel proporcionado a ordenadores y secuenciación difirió en el grupo de Sanger y en el de Hood en California.

La secuenciación rápida y a gran escala puede entenderse así como la configuración coyuntural de una práctica sometida a diversas encrucijadas a lo largo de su historia. En esta trayectoria, la genómica, la bioinformática y la biotecnología emergieron como manifestaciones de una determinada realidad científica y socio-política denominada sociedad de la información o del conocimiento desde finales de los 70. También surgieron los debates sociales e incertidumbres en torno al uso de estas nuevas tecnologías biomédicas. Su resolución tal vez resida en contemplarlas desde la distancia que proporciona la historia más que en enfatizar machaconamente su novedad.

[1] S. Hilgartner (2004) “Making maps and making social order. Governing American genome centers, 1988-1993” en J.P. Gaudillière and H.J. Rheinberger (eds.) The Mapping Cultures of Twentieth Century Genetics (Routledge). Ver también www.sanger.ac.uk y www.celera.com

[2] R. Cook-Deegan (1994) The Gene Wars: Science, Politics and the Human Genome (London: W.W. Norton and Company).

[3] M. García-Sancho (en prensa) “A new insight into Sanger’s development of sequencing: from proteins to DNA” en Journal of the History of Biology.

[4] T. Lenoir (1999) “Shaping biomedicine as an information science” en M.E. Bowden, T.B. Hahn y R.V. Williams (eds.) Proceedings of the 1998 Conference on the History and Heritage of Science Information Systems (ASIS Monograph Series).