El genoma como ingeniería
El genoma y la ingeniería
A diferencia de las otras ciencias naturales, que
se concentran en el estudio de las leyes universales de la naturaleza, la
biología estudia la constitución y funcionamiento de una cierta clase de seres
existentes en una zona muy reducida de la naturaleza (el planeta Tierra)
durante un período muy determinado de tiempo (el que abarca la evolución de la
vida, desde sus orígenes hasta el presente). Así pues, aunque en todo momento
hace uso de las leyes naturales, especialmente las comprendidas en la
especialidad que llamamos bioquímica (una rama de la química), la biología es
muy diferente de las disciplinas científicas ordinarias. En realidad, en el
fondo y como hemos visto(a), no es ni siquiera una
ciencia: es una especie de ingeniería, la que se conoce con el curioso nombre
de ingeniería inversa. Aclaremos: la ingeniería directa es un
arte de construir que va desde un conjunto de planos de construcción, mediante
un proceso tecnológico que hace uso de diversas leyes de la naturaleza, hasta
un producto terminado. Ese producto puede ser un edificio, un barco u otra clase
de vehículo, o un mecanismo de distintos grados de complejidad, por ejemplo una
computadora (en el caso del ingeniero electrónico). Pero es posible también
para un ingeniero trabajar "al revés": comenzar por la observación de
un artefacto cualquiera (que él no haya construido y cuyos planos no estén
disponibles) y tratar de llegar a una posible definición de esos planos
constructivos. ¡Eso es exactamente lo que hace el biólogo! Comienza por
observar un ser vivo, máquina sumamente complicada construida por la naturaleza
por medio del algoritmo de la selección natural, y a partir de ahí trata de
reconstruir los "planos", es decir, la organización interna y la
especificación de funciones, de ese ser vivo. Y nótese que esto supone que la
naturaleza biótica no es ni más ni menos que una industria colosal que ha
producido por investigación y desarrollo todos los seres vivos que han
vivido sobre
La equiparación de biología e ingeniería puede parecer extraña a muchas personas familiarizadas con alguna de estas dos disciplinas. Así fue, por ejemplo, la reacción de un médico eminente, hija mía, que muchas veces acostumbraba distinguir entre "enfoque biológico" y "enfoque ingenieril" al contrastar modos de pensar diferentes. La solución a la aparente paradoja tiene mucho que ver con la escala de los objetos observados (o construidos). Es obvio que los fenómenos biológicos a la escala en que los vive o interviene un médico gozan de una continuidad, una suavidad, una delicadeza y una reactividad de que carecen los edificios, los vehículos o las máquinas herramientas. Lo extraordinario es que esta diferencia se pierde cuando los fenómenos biológicos se observan a la escala microscópica; entonces se perciben mecanismos y estructuras perfectamente comparables con los de las obras diseñadas y construidas por ingenieros de diversas especialidades: encontramos bombas, fajas transportadoras, vigas y cimientos, centrales energéticas, cadenas de producción, y hasta motores. El del flagelo, por ejemplo, es uno de los logros ingenieriles más extraordinarios en biología: tiene propiamente un cigüeñal, que pasa por la membrana celular y se conecta a una hélice exterior (ALLMAN 00). Y cuando nos ponemos a comparar las distintas especies entre sí desde el punto de vista genético, nos encontramos con notables sorpresas: diferentes organismos se han diseñado mediante una estrategia de reuso de materiales fundamentales o, si se quiere, a base de constituyentes estandarizados(1). La evolución de los genes mamíferos, por ejemplo, incluye por lo menos dos duplicaciones completas de un genoma ancestral. Si el Proyecto Genoma comprueba esta naturaleza octoploide subyacente en los genomas –por ejemplo– humano y ratonil, entonces el número de genes fundamentales vertebrados puede resultar similar al de los de una mosca o un gusano: entre doce y catorce mil solamente. (MIKLOS 96)
Así pues, la estrategia de la vida parece haber sido similar a la del ingeniero que replica el plano de una casa pequeña, a veces agregándole su reflexión en un espejo imaginario, para convertirlo en el plano de una casa grande; y puede todavía duplicar el resultado otra vez, para transformarlo quizás en un pequeño palacio. Después de esas duplicaciones, el ingeniero deberá hacer algunas adaptaciones en cada una de las copias para adaptar los cuartos copiados a funciones nuevas. De la misma manera los genes originados por duplicación han ido adoptando poco a poco patrones expresivos y funciones biológicas diferentes a las originales y cada vez más especializados(2). Nótese una diferencia importante entre una casa construida después de una duplicación de planos y la especie que muta por duplicación de genes: la "casa doble" es simplemente más grande, pero el organismo mutado sigue funcionando y sobrevive gracias al grupo de genes original mientras las copias se dan el lujo de ensayar variaciones que cumplen otras funciones y, a la larga, producen especies completamente nuevas. Esta es una magnífica diferencia de fondo entre la ingeniería civil y la ingeniería de la vida: implica un rediseño dinámico de nuevas formas que no interrumpe el uso útil de las estructuras originales. Pero no hace a la última menos ingenieril, la hace más bien calificar como una ingeniería más sofisticada, capaz de transformar sus "planos" y "edificios" sobre la marcha, sin interrumpir el funcionamiento de los productos en evolución. Tal proceso de diseño "en tiempo real" está de hecho muy extendido en el genoma de todas las especies, incluido el genoma humano y el de todos los mamíferos. La evolución parece avanzar según el modelo secuencial duplicación, redundancia y –finalmente– divergencia. (PICHETT 95)
Hemos venido hablando de planos, en el sentido de guías gráficas para la construcción de un edificio. Es una alegoría útil para aludir a los genes que, efectivamente, contienen instrucciones (aunque no gráficas) para la edificación del cuerpo del organismo y el control de su funcionamiento. Sin embargo, son más que eso. Los genes son también reguladores de la actividad del organismo en todas sus partes, no solo durante su formación sino por todo el tiempo que dure su vida. Todavía aquí estamos refiriéndonos a aspectos ingenieriles de la vida pues la ingeniería del control, también llamada cibernética, es una rama muy distinguida y moderna de la ingeniería. Al comentar el papel de los genes en la construcción de los seres vivos debemos tener cuidado de recordar que ni siquiera en la ingeniería los planos son el único ingrediente que debe tomarse en cuenta: igualmente importante es el proceso mismo de construcción, el orden en que se van levantando las diferentes partes y sus influencias recíprocas. En el desarrollo biológico este factor es determinante. Si no fuera así sería inexplicable que seres tan diferentes como la mosca drosófila y el ser humano tengan un número de genes dentro del mismo orden de magnitud, o que el hombre y el chimpancé posean casi el mismo número de ellos.
El genoma del ser humano, pareciera, contiene mucho menos instrucciones de las que harían falta para construir nuestro bello y hábil cuerpo y todas sus excelentes capacidades, incluida la facultad de razonar y de crear poesía o música. Un caso contrario se da, por ejemplo, en relación al minúsculo fago lambda, un virus que parasita y destruye a la bacteria E. coli. El número de sus genes es demasiado grande comparado con el de las proteínas que resultan incorporadas a su cuerpo. La razón de esta paradoja es que muchas de las proteínas que esos genes producen cumplen funciones solamente transitorias, relativas al proceso de construcción, disolviéndose enseguida en el plasma celular sin que lleguen a formar parte material del cuerpo ni ser necesarios para la regulación de su funcionamiento. En el caso de nuestra especie, muy pocos genes son suficientes para formar un cuerpo relativamente enorme y de inmensa complejidad. El intento de explicar la paradoja debe también considerar que un organismo grande y complejo ofrece numerosas oportunidades de que la estructura del cuerpo, conforme va siendo construida, juegue un papel en esa misma construcción. Es como si sus distintas partes constituyentes sirvieran la función adicional de andamios o formaletas, coadyuvantes al proceso constructivo. En contraste, un cuerpo pequeño y sin complicaciones ofrece pocas oportunidades para la doble utilización, y elementos adicionales transitorios deben ser encargados en forma especial.
La ingeniería genética
No podemos dejar de mencionar en este apartado a
la “ingeniería genética”, una disciplina especial dentro de la biología y
de la ingeniería. Tiene por tarea la alteración del genoma, de cualquiera de
las especies vivientes, para eliminar características indeseables o producir
las deseables. Hasta el momento, la investigación en este campo se ha
concentrado en el incremento de la producción de alimento animal o vegetal, el
diagnóstico de enfermedades, la mejora de los tratamientos médicos, y la
producción de vacunas y otras drogas útiles. También contribuye ya a la
eliminación de los desechos industriales. Entre los métodos que usa se encuentra
el cruce selectivo entre plantas o animales, así como la hibridación
(reproducción entre distintas variedades o especies), los cuales se vienen
practicando desde tiempo inmemorial. La adición contemporánea es la
recombinación del ADN, una técnica que ha revolucionado la ingeniería genética
en los últimos veinte y tantos años. Esta novedosa técnica consiste en alterar
directamente el material genético, mediante la intercalación de genes ajenos en
los cromosomas. Tal proceso cambia la constitución hereditaria del organismo si
es realizada en las células germinales, afectando a todos sus descendientes. El
más notable logro de esta técnica hasta ahora ha sido la producción de la
hormona insulina, mediante la astucia de incorporar el gen humano que la produce
como parte del material genético de la bacteria Escherichia coli,
transformándola de hecho en una fábrica de esta sustancia indispensable en el
control de la diabetes. Las perspectivas de esta nueva tecnología para
transformar de muchas maneras y radicalmente la medicina y la economía del
siglo XXI son asombrosas.
Parte esencial en el arsenal metodológico de la ingeniería
genética es el vehículo que introduce los genes nuevos en la célula objeto de
la modificación. Tales vehículos reciben el nombre de "vectores" y
son una imitación de la técnica que tienen los virus para inyectarse en las
células que atacan e incorporarse en su genoma para usarlo en su propia
reproducción; este es el caso, por ejemplo, del fago lambda, al que nos
referimos por extenso en otra parte(b). El mismo fago lambda –sus
genes destructivos debidamente sustituidos por los genes que se quiera incorporar
en la especie blanco– se ha usado también en calidad de vector, resultando de
mayor eficiencia que las primeras moléculas usadas como tales, los plásmidos(3). El fago lambda
representa un progreso porque es capaz de empacar material genético por un
total de hasta 40 kilobases. El contenido que se quiere reproducir se acompaña
de genes que crean resistencia a ciertos antibióticos, asegurando así su fácil
recuperación del cultivo respectivo. Otro mérito del fago lambda como vector es
su excelente "línea de producción", el famoso círculo rodante(c). Al vector lambda lo suceden en el desarrollo de la
tecnología los YACs, cromosomas de levaduras, de gran tamaño. Su sistema de recombinación,
sin embargo, es muy activo y su operación produce innumerables quimeras(4). Esta inestabilidad
hizo que se volviera finalmente a un vector más pequeño pero más estable
llamado BAC, usado con gran provecho en la secuenciación del genoma humano y
capaz de empacar de
Notas
Nota 1: Similarmente, es una
práctica estándar entre los ingenieros de software el reuso de módulos
de programas en la confección de programas nuevos.
Nota 2: Cuando hace tres
decenios empecé a interesarme por las computadoras, decidí que, para comprender
a cabalidad lo que tenía entre manos, debía diseñar yo mismo una computadora,
por supuesto muy simple. Recuerdo que en esa ocasión adopté un curso de acción
que hoy, retrospectivamente, puedo reconocer como eminentemente genético
(aunque no por ello menos ingenieril): comencé por describir un conjunto
homogéneo de unidades de memoria el cual enseguida dupliqué, para proceder a
alterar de una manera mínima una de las dos copias, con lo que originé con poco
esfuerzo la unidad central de proceso de la computadora. Esa parte fundamental
de la máquina no era sino una "memoria infiel", que "adulteraba"
la información que pasaba por ella. El "metabolismo" de la máquina
consistía de un ciclo de dos pasos, de modo que la información pasaba de la
"memoria fiel" a la infiel en el primero y regresaba a su origen
(modificada) durante el segundo.
Nota 3: Moléculas de ADN extra
cromosómicas, muy pequeñas y capaces de replicarse independientemente, que
forman parte del genoma de algunas especies.
Nota 4: Dícese de los
organismos que resultan del acople de características mal avenidas de
diferentes especies (por ejemplo, en la mitología, el centauro).
Referencias
Nota a: La unificación de la biología con la
ingeniería en La acumulación del diseño
de la primera colección, bloque a.
Nota b: Los organismos modelo
en La larga marcha: madurez de la
segunda colección, bloque a.
Nota c: La asombrosa forma de reproducción del fago
lambda en Apéndices de la segunda colección.
Copyright © 2000 Claudio Gutiérrez