Secuenciando el ADN con un secuenciador de bolsillo Understand article

Traducido por Pilar Bustos-Sanmamed. Secuenciadores alimentados por USB más pequeños que tu Smartphone podrían revolucionar la forma de secuenciar el ADN – en hospitales, en localizaciones remotas e incluso en el espacio.

¿Cuál ha sido el mayor desarrollo tecnológico del siglo XX? Los ordenadores puede ser lo primero que se nos venga a la cabeza: los primeros ordenadores para uso militar y comercial ocupaban una habitación entera antes de que se transformasen en algo más pequeño, productos de consumo asequibles en la década de los 80. El poder de la informática ha avanzado hasta tal punto que los smartphones que usamos hoy en día pueden realizar funciones que eran imposibles llevarlas a cabo con los ordenadores más potentes hace décadas. Ahora, otra tecnología está siendo una revolución de una forma similar: el secuenciador de ADN.

Un nuevo método de secuenciación genética está haciendo más sencillo que nunca la secuenciación del ADN.
Iaroslav Neliubov/Shutterstock.com
 

El ADN almacena la información genética que se ha transmitido entre generaciones. De la misma forma en la que los ordenadores almacenan información como una combinación de ceros y unos, la información del ADN se almacena como un código de cuatro bases: A, T, C y G (adenina, timina, citosina y guanina).

En 2003, por primera vez el genoma humano – el conjunto completo de la información genética- fue secuenciado. Se tardaron siete años, 150 científicos y 3 mil millones de dólares americanos (2,5 mil millones de euros) para completar este proyecto gigantesco. Hoy en día, la misma tarea puede realizarse en tan sólo un día por unos 1000 dólares (850 euros). Es más, la secuenciación del ADN ya no necesita realizarse en un laboratorio de grandes dimensiones: se puede realizar con un secuenciador portátil que cabe en tu bolsillo. Esta considerable disminución de coste y espacio es gracias a una nueva técnica llamada secuenciación de nanoporo.

Figura 1: un secuenciador de
nanoporo conectado a un
ordenador portátil a través
de un USB. La solución de
ADN (amarilla) se añade con
una pipeta.

Oxford Nanopore Technologies

¿Cómo funciona la secuenciación por nanoporo?

Secuenciadores portátiles de ADN están en el mercado desde 2015. El proceso de secuenciación es sencillo y, a diferencia de los métodos anteriores de secuenciación de ADN, los científicos no necesitan hacer copias extras del ADN o marcar el ADN con etiquetas fluorescentes o radioactivas. En primer lugar, se extrae el ADN – por ejemplo, de una torunda o de muestra de sangre – y se mezcla con una solución iónica para prepararlo para la secuenciación. Este ADN líquido se pipetea directamente en el secuenciador de nanoporo que está conectado a un ordenador portátil a través de un cable USB común (figura 1).

Dentro del secuenciador de nanoporo, un enzima desenrolla la doble hélice de ADN y pasa una de las hebras a través del nanoporo – un canal microscópico en el centro de una molécula de proteína situada en una membrana. Se aplica un voltaje a través del nanoporo, haciendo que los iones de la solución atraviesen el poro y generen una corriente iónica. El canal tiene justo el tamaño adecuado para que pase la hebra de ADN. Como cada una de las cuatro bases del ADN es diferente en tamaño, bloquean una proporción diferente del nanoporo según lo atraviesan. Esto significa que hay más o menos espacio para el paso de los iones a través del nanoporo y, entonces, más o menos corriente puede fluir por el hueco (figura 2). La corriente iónica se mide y los datos se transfieren al ordenador y se analizan con un programa especial que convierte las medidas en tiempo real en la secuencia de ADN – un documento de texto con las letras A, T, C y G.

Figura 2: ilustración del principio de funcionamiento de un secuenciador de ADN de nanoporo. Una hebra de ADN pasa a través de un nanoporo y, una corriente iónica se mide y se traduce en la secuencia de ADN.
Kerstin Göpfrich
 

Dependiendo de la cantidad de datos de secuenciación de ADN que se quiera generar, el secuenciador puede trabajar durante minutos o días. Una manera de analizar los datos es subirlos a una base de datos de ADN en línea y compararla con secuencias conocidas. De esta forma, puedes averiguar a qué especie pertenece el ADN, si hay patógenos en la muestra y, qué genes están presentes. El secuenciador de nanoporo es extraordinariamente rápido, pero generalmente produce menor cantidad de datos que otros métodos de secuenciación. Los centros de secuenciación, por lo tanto, seguirán siendo importantes para obtener una mayor cantidad de datos.

Aplicación de la secuenciación por nanoporo

Los secuenciadores de nanoporo están abriendo muchas nuevas posibilidades para la secuenciación del ADN. Ya han sido usados para la identificación de virus, bacterias y parásitos en ambientes hospitalarios. Más notablemente, en 2015 un equipo de científicos usaron el primer kit de secuenciación de campo en el Oeste de África y secuenciaron muestras de sangre de 142 pacientes durante el brote de Ébola para averiguar la aparición de nuevas cepas (ver Bryk, 2017). Los científicos identificaron el ADN viral en cada muestra tras 15 minutos de secuenciación, mostrando el potencial de la nueva tecnología para monitorear epidemias y ayudar a identificar la diana de fármacos y vacunas para inmediatamente informar sobre las medidas de control. En el futuro, los secuenciadores de nanoporo podrían también acelerar la identificación de cánceres, lo que es especialmente importante para tumores agresivos; actualmente, se tardan semanas desde la toma de muestra de ADN del paciente hasta que se reciben los resultados del laboratorio.

Secuenciadores portátiles de ADN están siendo usados para monitorear epidemias, como se ha mostrado aquí durante el brote de Zika en Brasil
Universidad de Birmingham
 

Los secuenciadores portátiles de ADN también se han usado para identificar especies desconocidas en áreas remotas, como en altas montañas y en las profundidades oceánicas. Incluso, se anunció a comienzos del 2018 que los astronautas de la NASA habían identificado con éxito microbios que encontraron en la Estación Espacial Internacional utilizando la secuenciación por nanoporo. Esto significa que los astronautas posiblemente podrían diagnosticar infecciones usando un secuenciador para identificar ADN de virus o bacterias a partir de muestras obtenidas de sus bocas usando hisopos. Algún día, los secuenciadores de nanoporo podrán usarse incluso para analizar ADN en otros planetas.

Usando la misma tecnología, la secuenciación del ADN puede realizarse actualmente por estudiantes en las aulasw1 – por ejemplo, secuenciación del ADN de las frutas de un batidow2. Mientras que el coste de los secuenciadores portátiles de ADN son aún prohibitivos para su uso común, esta tecnología abre nuevas oportunidades para los proyectos de ciencia ciudadana y educativos.

La ética de la secuenciación del ADN

La secuenciación por nanoporo es la única tecnología que permite la secuenciación portátil del ADN de genomas completos. Actualmente, cualquiera puede usar un kit casero para análisis genético por menos de 150 euros. Pero a diferencia del secuenciador de nanoporo, que puede proporcionan un resultado base a base, estos kits analizan solamente genes específicos y, los resultados son, a veces, cuestionables.

Puesto que la secuenciación del ADN del genoma completo es cada vez más accesible debido al secuenciador de nanoporo, será crucial tener en cuenta las cuestiones éticas. Cuanto más ADN secuenciemos, mejor entenderemos las implicaciones en la salud de las predisposiciones genéticas. Pero mientras que los genes pueden predecir la probabilidad de ciertas enfermedades, los factores del estilo de vida a menudo determinan el resultado. Las compañías privadas ya están promocionando dudosos “horóscopos de la salud” basados en el análisis de ADN – a menudo sin tener en cuenta la complejidad y la naturaleza probabilística de los datos genómicos.

Los datos pueden ser también mal usados para nuevos tipos de discriminación. Por ejemplo, ¿elegirán las compañías de seguros a sus clientes en función de los perfiles genéticos? ¿Podrían estar los registros de ADN disponibles para la policía? A la luz de la rápida miniaturización de los secuenciadores de ADN, en principio, cualquiera podría disponer de su propio aparato y secuenciar ADN a su elección – de hecho, ya está siendo desarrollado un smarthphone secuenciador de ADNtw3. Todos nosotros dejamos rastros de ADN donde quiera que vamos, así que la privacidad es ahora una preocupación cada vez mayor.

Lo mismo que los ordenadores y los smartphones, los secuenciadores de ADN tienen la capacidad para cambiar nuestras vidas – pero debemos trabajar juntos como sociedad para asegurar que maximizamos las oportunidades mientras que también mitigamos los riesgos de la secuenciación del ADN.

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References

Web References

  • w1 – Un archivo multimedia sobre la secuenciación del ADN en el aula en la que ambos autores de este artículo están implicados está disponible en la Naked Scientists website.
  • w2 – Aprende más sobre el desafío de la secuenciación interactiva del ADN creada por los autores, titulada ‘DNA my smoothie’.
  • w3 – Visita la página  Oxford Nanopore Technologies website para leer sobre el último secuenciador de ADN en desarrollo.

Resources

  • Programa una discusión entre los autores y tus estudiantes fijando una cita a través de the Ring-a-Scientist website – un proyecto financiado por Wikimedia Alemania, Stifterverband y la Fundación Volkswagen dentro del Programa de Becarios de Ciencia Abierta. Los autores pueden mostrar experimentos en vivo de secuenciación a través de video-conferencia.
  • Para aprender más sobre la secuenciación por nanoporo, visita la página the Oxford Nanopore Technologies website.
  • Para actualizar la información sobre el proyecto de la NASA de secuenciación de ADN en el espacio, visita el blog the Oxford Nanopore Technologies blog, o escucha una entrevista al Dr Aaron Burton.
  • El Wellcome Genome Campus proporciona información detallada, incluyendo recursos para las clases, sobre todo lo relacionado con el ADN.

Author(s)

Dr Kerstin Göpfrich es un divulgador científico y un investigador posdoctoral en el Instituto Max Planck para la Investigación Médica en Heidelberg, Alemania, con experiencia en la tecnología nanoporo. Elaboró la plataforma Ring-a-Scientist para conectar científicos y profesores usando video-conferencias.

Dr Kim Judge es un científico consolidado en el Instituto Sanger en Cambridge, Reino Unido, que trabaja en la secuenciación de ADN usando nanoporos y otras tecnologías de secuenciación.


Review

Este interesante artículo trata uno de los principales temas de biología: la molécula de ADN. En particular, se enfoca en una nueva técnica que permite de forma más rápida y barata secuenciar el ADN usando un aparato potente pero pequeño.

Esta nueva herramienta, llamada secuenciador de nanoporo, tiene capacidad para abrir el camino a una variedad de aplicaciones. En el futuro próximo, sará tan simple como usar un Smartphone  de los de hoy en día. Sin embargo, la facilidad en la que el ADN público podría ser secuenciado conlleva importantes aspectos éticos.

Junto con imágenes y gráficos, el artículo podría usarse para explicar las técnicas de biología molecular implicadas en la lectura y secuenciación de la doble hélice de ADN y, ahora el secuenciador de nanoporo podría sustituir los métodos de secuenciación anteriores. También podría usarse para la discusión sobre los aspectos éticos y los problemas de privacidad asociados a los perfiles genéticos.

Las preguntas de comprensión podrían incluir:

  • ¿Por qué cada nucleótido provoca una señal iónica diferente en el aparato de secuenciación por nanoporo?
  • ¿Qué tipo de molécula podría ayudar a mover el ADN a través del nanoporo?
  • ¿Cómo funciona el secuenciador de nanoporo?
  • Explica dos o tres nuevas aplicaciones para el secuenciador de nanoporo.
  • ¿Cuáles son los aspectos éticos que rodean al uso de los secuenciadores de ADN?

Ana Molina, profesora de Ciencias Naturales, Instituto de Educación Secundaria IES Gil y Carrasco, España




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