De la genómica a la sostenibilidad: el caso de México

Luis David Alcaraz

El término genoma es relativamente nuevo, surgió hace poco más de 90 años y proviene de la fusión de dos palabras: gen y cromosoma. La genómica se puede considerar como una rama de la biotecnología, que se define como el estudio de los genes y sus funciones. Se diferencia de la genética en la escala de estudio. La genética evalúa la función de genes individuales mientras que la genómica analiza todos los genes y sus interrelaciones en el desarrollo de un organismo.

Genómica y el genoma humano

En las últimas dos décadas, el desarrollo de la genómica ha sido tan espectacular que es comparable con el rápido desarrollo de la computación. Particularmente el proyecto del genoma humano original fue un impulsor importante de este campo. Este proyecto tuvo un costo de $3,000,000,000 de dólares y tomó cerca de 13 años completar, al final se obtuvo la secuenciación del genoma humano, es decir el orden de los nucleótidos de ADN (ácido desoxirribonucléico) que conforman todos sus cromosomas.

     Durante el proyecto del genoma humano se desarrollaron múltiples tecnologías y procesos se han ido optimizando, automatizando y economizando, hasta el punto en el que ahora, en el 2017, es posible secuenciar un genoma humano por US $1,000 en un par de meses, ¡esto representa seis órdenes de magnitud menos de lo que costó el proyecto original! También ya es posible que un laboratorio relativamente pequeño pueda hacer investigación genómica, y es muy probable que el entrenamiento en este tipo de tecnologías sea cada vez más común durante la formación científica de los estudiantes del área de biología.

07Fig01Figura 1. La técnica del escopetazo consiste en tomar una muestra de agua, suelo, etc. Por medio de métodos moleculares se extraen fragmentos de ADN que, posteriormente se reconstruirán usando métodos computacionales. Imagen: John C. Wooley, Adam Godzik e Iddo Friedberg CC BY 2.5 vía Wikimedia Commons.     Una de las principales mejoras que permitió reducir los costos y tiempos de secuenciación fue el desarrollo de la secuenciación automática del ADN por “escopetazo” (Whole genome shotgun, WGS por sus siglas en inglés, Figura 1). De esta forma se obtiene el ADN genómico de un organismo y se rompe en millones de pequeños fragmentos de unos 100 a 1,000 pares de bases. Esta innovación metodológica sólo fue posible gracias al aumento sustancial de la capacidad de cómputo ya que, después de obtener millones de fragmentos de ADN, es necesario unirlos, como si fuera un rompecabezas de ADN gigante.

Patentes y recursos genómicos: el tratado de Nagoya

De la velocidad en la secuenciación genómica, se pasó a temas que van más allá de ciencia y la tecnología. Al inicio de la era genómica, entidades públicas (NIH, USA) y privadas (Celera Genomics y otras similares) intentaron patentar los genes humanos que pudieran ser de alguna utilidad de diagnóstico o terapéutica (por ejemplo, véase Los genes humanos son de todos. Por lo anterior, las ciencias genómicas se volvieron objeto de estudio y debate de la bioética. Aunque muy pronto en la investigación surgió este debate, la postura actual del Tribunal Superior de Justicia de Estados Unidos es que no es posible patentar genes humanos, pues son considerados patrimonio de la humanidad en su conjunto.

     En México, la legislación que tiene que ver al respecto son los artículos 15 y 16 de la Ley de Propiedad Industrial, donde los criterios para generar una patente son que la invención permite transformar la materia o la energía de la naturaleza para satisfacer las necesidades del hombre, pero no se puede patentar “el material biológico y genético tal como se encuentran en la naturaleza”, entiéndase en el genoma humano, en las razas de animales o en las variedades vegetales.

     No es trivial definir cuál es el estado de un gen en la naturaleza, porque los organismos del planeta tienen una infinidad de posibles combinaciones de genes. Por esta razón existen acuerdos internacionales —como el protocolo de Nagoya promovido por la Convención de la Diversidad Biológica de Naciones Unidas (ONU)— donde se establece el uso justo y equitativo de los beneficios derivados del uso de recursos genéticos. Este protocolo está ratificado por México y otros 52 países.

     El protocolo de Nagoya busca proteger el uso de los recursos genéticos. Por ejemplo, si se generan beneficios de un conocimiento derivado de la medicina tradicional, se obliga a compartir las ganancias con las comunidades donde se utiliza ese remedio. Esto conlleva a que se deben de establecer mecanismos que permitan monitorear el uso de los recursos genéticos en distintas fases, desde la investigación hasta la comercialización de estos recursos.

Microorganismos y metagenomas

Una de las cosas que hemos aprendido gracias a la genómica, es que la diversidad metabólica de este planeta se encuentra almacenada en forma de microorganismos. Las bacterias pueden vivir desde el fondo del mar, hasta los 65 km de altitud en la atmósfera. Estos organismos fueron responsables de la contaminación inicial de nuestro planeta con oxígeno, mismo que hemos aprendido a respirar (ver La larga marcha del oxígeno en la Tierra: mortal para unos, indispensable para otros). Las bacterias también son las principales responsables del ciclado de nutrientes en nuestro planeta.

07Fig02Figura 2. La sistematización y ordenamiento de la información genómica nos permitirá conocer la diversidad desde moléculas hasta ecosistemas y este conocimiento nos será útil para plantear estrategias de uso racional de la biodiversidad. Fotografía: Jack Dykinga CC0 vía Wikimedia Commons.     Se estima que en nuestro planeta viven unas 1030 células bacterianas (los científicos todavía no tienen las herramientas y recursos para estimar el número total de especies), para tener idea de esta magnitud se considera que el total de estrellas visibles desde nuestro planeta es de 7 x 1022, esto es en la Tierra hay 10,000,000 más bacterias que estrellas que estudiar. La relevancia de las bacterias no es nada despreciable, por ejemplo, el peso total de las bacterias en la Tierra se estima en unos 1.81 x 1022 kg, que es más de 2,000 veces la masa de todos los humanos (6,500 millones) que vivimos en este planeta. Todas estas bacterias viven en los suelos, cuerpos de agua dulce y salada, o dentro de la mayoría de los organismos.

     Esta diversidad microbiana ha atraído la atención de los estudiosos de los genomas. Hasta octubre de 2015, en la base de datos Genomes Online (Genomes Online DB) existían cerca de 71,000 proyectos de secuenciación para 65,717 organismos, de los cuales la mayoría son bacterias (49,000), seguido por eucariontes (plantas, animales, hongos: 11,000), virus (4,400) y archaeas (1,100). En esa base de datos existen 600 proyectos metagenómicos registrados.

     La metagenómica es el estudio de comunidades biológicas a través de la secuenciación del material genético que está presente en un ambiente determinado (por ejemplo, en agua de un lago, en una muestra de suelo o en el estómago de un organismo). La metagenómica también es conocida como ecogenómica, genómica de comunidades o genómica ambiental. Una de las razones del crecimiento exponencial en el número y calidad de los estudios metagenómicos, es que, mediante el estudio del ADN de las comunidades microbianas, los científicos nos dimos cuenta de que lo que sabíamos de microbiología tan sólo era un 1% de lo que se ha estimado, en cuanto a la diversidad de especies que existe en la naturaleza. En el caso los microorganismos, la metagenómica nos libera de la necesidad de cultivar en una caja de Petri cada uno de ellos, y podemos estudiar, a través de sus genes, la composición de especies y funciones presentes en distintos ambientes (Figura 2).

Perspectivas para una genómica ecológica

Los datos genómicos tienen un gran potencial para monitorear finamente al ambiente. Los microorganismos responden de forma rápida y sensible ante las perturbaciones ambientales y al mismo tiempo tienen la capacidad de ser resilientes ante los cambios. Gracias a estas características, en otros países como en Nueva Zelanda ya existen en operación los llamados Observatorios Genómicos, en los que, a partir del estudio de la diversidad genómica microbiana, se han identificado especies marcadoras de salud y enfermedad ambiental.

07Fig03Figura 3. Derrame del Deep Horizon en la primavera del 2010 en el Golfo de México. La resiliencia es la capacidad de comunidades y ecosistemas para indicar la capacidad de resistir perturbaciones (incendios, inundaciones, etc.) y regenerarse después de la perturbación. Con metagenómica podemos estudiar los perfiles taxonómicos y metabólicos que son fuente de dicha resiliencia. Fotografía: US Coast Guard CC0 vía Wikimedia Commons.     Estudios genómico-ambientales se han aplicado también a derrames petroleros, como en el caso del Deep Horizon, un derrame donde en la primavera de 2010 se vertieron cerca de cuatro millones de barriles en el fondo del Golfo de México (ver Metagenomics Reveals Sediment Microbial Ccommunity Response to Deepwater Horizon Oil Spill). En esta zona, se reconocieron especies microbianas y genes que podrían ser clave para atender futuras contingencias de hidrocarburos y derivados porque degradan hidrocarburos (Figura 3). Estos estudios permiten además tener elementos para evaluar la resiliencia de los ecosistemas ante perturbaciones.

Recursos genéticos y genómica

Además de su potencial para descubrir nuevas especies y funciones para la ciencia, las metodologías metagenómicas tienen la capacidad de desarrollar aplicaciones, por ejemplo, producir nuevos fármacos y procesos biotecnológicos útiles a nivel industrial. En este sentido, independientemente de que estemos de acuerdo o no, la carrera de explotación de recursos genéticos ya empezó. Las diferencias en la forma en que se usa la ciencia y la tecnología han puesto a la cabeza del pelotón a un puñado de países que están patentando los recursos que existen en la naturaleza, por ejemplo, en los mares. Se estima que 70% de las patentes de productos marinos pertenecen solamente a tres países: Estados Unidos, Japón y Alemania (por ejemplo, véase Diez países reclaman el 90% de las patentes de genes de origen marino). Las aplicaciones potenciales son muchas y lo que se debe de evitar es la biopiratería, que es beneficiarse de un recurso sin darle este beneficio al dueño, en muchos casos el país donde vive el organismo del cual se deriva la aplicación. Ejemplos de patentes de genes hay varios y van desde genes relacionados a la producción de alcaloides, antibióticos, hasta antioxidantes y pigmentos como los carotenoides. Un ejemplo famoso son los genes que codifican para la proteína verde fluorescente (GFP por sus siglas en inglés) que se utiliza para fines de investigación biomédica, se aisló el gen de una medusa marina (Aequorea victoria) y le valió el premio Nobel de química en 2008 a sus descubridores, su uso fuera de la investigación incluye la venta de mascotas transgénicas como peces GloFish que tienen variantes de genes GFP (Figura 4).

07Fig04bFigura 4. Peces mascota modificados genéticamente con variantes de la proteína verde fluorescente (GFP), un ejemplo de la comercialización derivada del estudio de genes de origen marino. Fotografía: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/f/f2/GloFish.jpg/1280px-GloFish.jpg     La diversidad microbiológica de México, aunque es uno de los 5 países megadiversos del planeta a nivel de macro especies, apenas comienza a estudiarse a nivel molecular. El Instituto de Ecología de la UNAM fue pionero en la secuenciación metagenómica en México, con una serie de estudios de Cuatro Ciénegas (Figura 5).

     En la actualidad también se realizan estudios de este tipo en otras dependencias de la UNAM, como en la Facultad de Química, el Instituto de Biotecnología, el Centro de Ciencias Genómicas. También se están haciendo análisis metagenómicos en el CINVESTAV Irapuato, Langebio y Zacatenco, en el INMEGEN y en la UAM. Otros grupos comienzan a utilizar esta metodología en las universidades públicas estatales y centros de investigación de nuestro país. Estos estudios genómicos y metagenómicos de la diversidad microbiana del país se han realizado en ambientes muy distintos, desde cuerpos de agua; suelos, plantas, insectos, aves, alimentos tradicionales, hasta los novedosos estudios del intestino humano (microbioma humano). Todos ellos son ambientes fértiles para vivir como microorganismo.

¿Cómo defender nuestros recursos genéticos?

Gracias a esta mayor capacidad para conocer nuestros recursos genéticos, resulta atractivo usarlos con diversos fines: médicos, agrícolas, etcétera. Es importante que siempre se reconozca apropiadamente la procedencia de los recursos genéticos, y que se aplique adecuadamente el protocolo de Nagoya. De esta manera los recursos son utilizados en forma justa, ya que se reconocen los usos y quiénes son los usuarios tradicionales. Si no nos aseguramos de que la información genómica esté organizada de manera sistemática y que sea fácilmente accesible, podemos ser presas de la biopiratería, ya que para solicitar una patente no es necesario detallar la procedencia del organismo ni por ende de sus genes. Esto constituye un hueco legal que organismos nacionales e internacionales deben atender.

07Fig05Figura 5. Micrografía de un tapete de microorganismos. Aunque casi indistinguibles a la vista, tienen el repertorio metabólico de este planeta en sus genomas. Micrografía: Janice Haney Carr CC0 vía PIXNIO.     Es posible proteger los recursos genéticos de México si se coordinan los esfuerzos de caracterización de la diversidad a nivel genómico. La herramienta ideal son bases de datos que sean coordinadas por instancias públicas. En Estados Unidos por ejemplo, si se hace investigación con dinero público, se está obligado a depositar los datos de secuenciación de genes y genomas en bases de datos públicas y libres como el banco de genes (GenBank). En México, actualmente no existe la obligación de publicar las secuencias genómicas de nuestra biodiversidad aunque la investigación se haya hecho con financiamiento público, por ejemplo con apoyo del CONACyT. Si bien muchos investigadores depositan las secuencias obtenidas en el GenBank, lo hacen para cumplir las normas internacionales que se requieren para publicar artículos en revistas científicas, pero en México no hay ninguna exigencia al respecto. Muy probablemente la CONABIO podría fungir como salvaguarda de la información genética y genómica como bien lo hace con la información de biodiversidad en la actualidad.

     Queda claro que en México tenemos huecos legales qué cubrir en relación con la investigación genómica. Entre otros huecos, se tiene que gestionar que la declaración de la información genómica sea obligatoria en México. Esta información debería incluir los datos de las secuencias depositados, así como sus metadatos, es decir: coordenadas geográficas, fecha de muestreo, tipo de material biológico, etcétera, información que se incluye para depositar cualquier material biológico en una colección.

     Para estos fines, se puede aprovechar la experiencia de la comunidad académica internacional de genómica; por ejemplo seguir lineamientos de clasificación como los que se proporcionan en el consorcio de estándares genómicos (GSC). Esta práctica, además de ya estar probada, tendrá la ventaja de facilitar el compartir información con otras bases de datos similares.

Perspectivas: uso de la diversidad genómica y sustentabilidad

El conocimiento de nuestra diversidad a nivel genómico ha sido sistematizado en programas de investigación a largo plazo y monitoreo como los observatorios genómicos. Contar con bases de datos en las que se transparente la información relacionada con nuestros recursos genéticos, es fundamental para proteger el patrimonio genético de nuestro país. Además, la generación de aplicaciones desarrolladas a partir de estudios genómicos cuya información sea pública, implica entender que dichas tecnologías son patrimonio de la nación y no de particulares, con lo que se privilegia el interés colectivo sobre los comerciales y privados. Es necesario reconocer que actualmente la investigación genómica en nuestro país se genera con fondos públicos, y de generarse beneficios, éstos también deben de ser públicos.

     El uso racional de la biodiversidad es una de las muchas aristas para lograr la sustentabilidad, pero no se puede usar racionalmente lo que no conocemos. Por lo tanto, las herramientas genómicas pueden y deben contribuir al servicio de este conocimiento; es necesario además lograr un uso justo y sostenible de nuestra biodiversidad, que comprende desde las moléculas hasta los ecosistemas.

Para saber más

  • Clark D.P., Gibson G. y Maczulak A. 2011. Germs, Genes, and Bacteria: How They Influence Modern Life (Collection). Pearson Education: 696.
  • Trens Flores, E. y V.M. Morales Lechuga. 2003. A propósito de la patente de los genes. Revista de la Facultad de Medicina UNAM 46: 226-228.