En 2018, un equipo internacional de científicos -de laboratorios de Houston, Copenhague, Barcelona y otros lugares- se hizo con un espécimen biológico extraordinario: una muestra de piel de un mamut lanudo de 52.000 años de antigüedad que había sido recuperada del permafrost de Siberia. Analizaron la muestra con una técnica experimental innovadora que reveló la arquitectura tridimensional del genoma del mamut. El artículo resultante se publicó el jueves en la revista Cell.
Hendrik Poinar, genetista evolutivo de la Universidad McMaster de Canadá, se quedó "boquiabierto": la técnica había conseguido capturar la geometría original de largos tramos de ADN, una hazaña nunca antes lograda con una muestra de ADN antiguo. "Es absolutamente hermoso", dijo el Dr. Poinar, que revisó el artículo para la revista.
El método típico para extraer ADN antiguo de fósiles, dijo el Dr. Poinar, sigue siendo "algo cavernícola". Produce fragmentos cortos 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, lo que es más importante, el genoma es tridimensional: al plegarse dinámicamente con complejidad fractal, sus puntos de contacto en bucle ayudan a dictar la actividad de los genes.
"Disponer de la estructura arquitectónica real del genoma, que sugiere patrones de expresión génica, es un nivel completamente distinto", afirmó el Dr. Poinar.
"Es un nuevo tipo de fósil, un cromosoma fósil", afirmó Erez Lieberman Aiden, miembro del equipo, matemático aplicado, biofísico y genetista, y director del Centro de Arquitectura Genómica del Baylor College of Medicine de Houston. Técnicamente, señaló, se trata de un fósil no mineralizado, o subfósil, ya que no se ha convertido en piedra.
La información obtenida de estos fósiles cromosómicos será sin duda de gran ayuda para planes de "extinción" de animales como el mamut lanudo. Tres miembros del equipo de investigación forman parte del consejo asesor científico de Colossal Biosciences, una empresa que espera resucitar el mamut, el tigre de Tasmania y el dodo. Colossal Biosciences no financió ni apoyó la investigación.
Los datos genómicos tridimensionales también serán útiles para salvar de la extinción a los organismos existentes. "Dada la crisis climática en la que nos encontramos, hay grandes interrogantes sobre la rapidez con que los animales pueden adaptarse a los patrones de calentamiento o enfriamiento", dijo el Dr. Poinar. "Los mamuts son un gran objeto de estudio en ese sentido, porque recorrieron enormes áreas a lo largo de su vida y se enfrentaron a climas y entornos variables".
La recuperación de una reliquia así fue, en extremo, fortuita. "Es muy misterioso que existan estas cosas", dijo el Dr. Aiden. "¿Por qué persisten estos cromosomas fósiles?".
En su artículo, los investigadores recurren a la física y plantean la hipótesis de que el mamut se había "liofilizado espontáneamente" en el frío de Siberia. Las células pasaron a un estado vítreo que impidió el movimiento molecular y preservó la forma, o morfología, de los cromosomas hasta los bucles genómicos de 50 nanómetros. Ragini Mahajan, estudiante de doctorado del laboratorio de Houston, acuñó el término "cromoglass". Al Dr. Aiden le gusta llamarlo "cecina de mamut lanudo".
Origami genómico
El gigantesco estudio, que ha durado una década, se basa en la investigación pionera realizada por el Dr. Aiden y sus colaboradores en 2009 y 2014. En una obra maestra del "origami genómico", el trabajo anterior proporcionó los primeros mapas tridimensionales de alta resolución de genomas plegados. Además, dio lugar a la invención de una técnica denominada "Hi-C" (que no tiene nada que ver con la bebida de frutas, aparte de ser una especie de mascota de laboratorio: el Dr. Aiden guarda un alijo de cajas de zumo en su despacho).
La técnica sondeaba la arquitectura tridimensional de genomas enteros y resolvía un enojoso problema. Un genoma es como un libro que contiene toda la información genética de un organismo; la secuenciación del ADN extrae y lee páginas individuales del libro, pero sin números de página. Hi-C ordena las páginas.
El Dr. Aiden se preguntó si este protocolo podría aplicarse a especímenes antiguos: "paleoHi-C". Se fijó 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 Acción de Gracias en 2016. "Erez nos invitó a cenar, recogí los huesos de pavo y empecé a realizar experimentos", recuerda la doctora Peréz Estrada. "La pregunta era: ¿Podemos recuperar la arquitectura del genoma a partir de muestras degradadas?".
Lo probó todo: animales atropellados, el cuero de su mochila, las sobras de los amigos que había dejado pudrirse al aire libre bajo el calor abrasador de Houston. Cuando la Dra. Pérez Estrada se sintió algo optimista, envió un correo electrónico a Love Dalén, genetista de la Universidad de Estocolmo. "Love es la persona indicada para hablar de mamuts", dijo. Pronto se unió al equipo.
El Dr. Dalén presentó a los investigadores a Thomas Gilbert, director del Centro de Hologenómica Evolutiva de la Universidad de Copenhague. El Dr. Gilbert lleva mucho tiempo investigando la paleogenómica de muchas especies. "Cuando me enteré de cómo funcionaba el Hi-C, me vino a la cabeza que, en teoría, debería funcionar con ADN antiguo", dijo.
Con el mismo objetivo, el mamut, los dos laboratorios unieron sus fuerzas.
Marcela Sandoval-Velasco, paleogenómica que entonces formaba parte del equipo del laboratorio de Copenhague, pasó horas "descifrando protocolos", modificando los experimentos para intentar que las muestras de los museos cooperaran. El Dr. Sandoval-Velasco y el Dr. Pérez Estrada se visitaban una y otra vez. Probaron con abejas, hormigas, asnos salvajes, peces, trozos de cráneo de oso polar, restos en escabeche de la última gran alca. Casi todos fallaron.
"Pero a pesar de estos fracasos, y de algunos éxitos, aprendimos algo muy importante", dijo el Dr. Pérez Estrada. "Para que estos experimentos funcionen, la muestra tendría que conservarse de una manera muy específica".
El Dr. Sandoval-Velasco, ahora en la Universidad de México, señaló que "con el ADN antiguo, el 1 por ciento de tus resultados de secuenciación van a ser datos del organismo que te interesa. Eso es normal. El 99 por ciento va a ser un conjunto de contaminación ambiental, microbiana, humana."
En 2019, el Dr. 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 la Dra. Sandoval-Velasco probó esta muestra de mamut, el experimento funcionó. Pero ella no lo supo hasta que se analizaron los datos.
Justo cuando se produjo la pandemia de Covid, 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" en los datos experimentales, dijo el Dr. Marti-Renom.
"Nadie creía que la estructura pudiera estar ahí", recuerda Juan Antonio Rodríguez, investigador y miembro del equipo de Barcelona, ahora en la Universidad de Copenhague. "El primer mapa del genoma en 3D que generamos no era bueno, pero sí muy prometedor", afirma. "Así que fuimos retocando el método aquí y allá, y luego, eureka, obtuvimos un mapa tridimensional impresionante".
La diferencia del 4,1
Una vez que los investigadores dispusieron de la señal tridimensional, pudieron examinar cómo se plegaba el genoma del mamut de 52.000 años de antigüedad. Uno de los hallazgos más notables fue que se conservaban las características clásicas de los cromosomas modernos a muchas escalas.
Olga Dudchenko, investigadora del laboratorio de Houston especializada en la intersección de la física aplicada, las matemáticas y la genómica, hizo maravillas algorítmicas durante el 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 del zoo de Houston, y un elefante asiático fallecido en el zoo de San Antonio).
Los genomas del elefante y el mamut eran sorprendentemente similares: cada uno tenía 28 cromosomas, lo cual no es sorprendente, pero sí una valiosa confirmación. "Es evidente que lo hemos hecho bien", afirma el Dr. Aiden. Es una prueba de principio para la tecnología".
Pero el Dr. Dudchenko señaló que una comparación de los dos genomas tridimensionales mostró que unos 800 genes de la piel -el 4,1 por ciento del total- presentaban perfiles de actividad diferentes. Una clase de genes diferentes estaba relacionada con el desarrollo del folículo piloso y la regulación del crecimiento del pelo. "Estos genes nos dan una pista diferente de por qué el mamut lanudo era lanudo", dijo el Dr. Aiden.
Que estas pistas existieran parecía "ridículo", añadió. Para comprender mejor cómo pudo conservarse tan bien la muestra, los investigadores recurrieron tanto a la física como a las matemáticas.
La Dra. Dudchenko tradujo los patrones de plegado del genoma del mamut en curvas que llenan el espacio y paseos aleatorios. Propuso un modelo sencillo y demostró un teorema que describía cómo se degradarían los cromosomas a lo largo de milenios: un raro atisbo de certeza en el desordenado mundo de la biología.
Aun así, el Dr. Aiden admitió que hay "cierta inquietud en torno a esta teoría".
"Hay varias formas distintas en las que esto podría corresponder realmente a la disposición exacta de los átomos en el universo", dijo, "y no sabemos al cien por cien cuál es la respuesta".