Los esfuerzos internacionales para secuenciar el genoma completo de todos los organismos del mundo –también de los más peligrosos para los humanos– pueden llegar a buen puerto si cuentan con las herramientas bioinformáticas adecuadas.
En concreto, investigadores del Instituto de Parasitología y Biomedicina López-Neyra del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (IPBLN-CSIC) y de la Universidad de Glasgow hemos desarrollado ILRA, una herramienta bioinformática desarrollada para generar genomas de alta calidad en contextos problemáticos. Por ejemplo, cuando se trabaja con muestras biológicas insuficientes o de especies complicadas, como parásitos.
La genómica para descifrar las enfermedades humanas y la virulencia de los patógenos
A partir de material biológico, las tecnologías de secuenciación masiva permiten obtener la composición de las secuencias del ADN. Hay cuatro componentes posibles de una secuencia, llamados bases o nucleótidos. Se representan por cuatro letras, las famosas ACGT.
La genómica es una técnica ómica que permite investigar con exactitud las secuencias de todos los genes de un organismo. Esto es lo que se conoce como el genoma. Así, se obtienen bases de datos con la composición precisa de las bases del genoma. El valor para estudios posteriores es enorme. Por ejemplo, se podrían estudiar las claves de la predisposición de humanos a enfermedades o los genes que hacen a un patógeno más virulento.
Secuenciar genomas mundialmente
El Proyecto Genoma Humano obtuvo, tras años de esfuerzo, una secuencia general para los seres humanos en el año 2001. Sin embargo, el genoma humano no se ha considerado verdaderamente completo hasta muy recientemente, con una versión más completa en el año 2022 y la secuenciación del cromosoma Y en 2023.
Ahora tocaría secuenciar genomas más diversos para representar de verdad las poblaciones humanas. Además, el Proyecto Microbioma Humano ha tomado el relevo para tratar de obtener la secuencia de todos los microorganismos presentes en los humanos. Varios consorcios internacionales, como Biodiversity Genomics Europe o Earth Biogenome también pretenden secuenciar millones de organismos eucariotas en un futuro muy próximo.
Los problemas en el camino hacia genomas mejorados
En definitiva, las innovaciones biomédicas y promesas como la medicina personalizada van de la mano de las técnicas de secuenciación. Los avances dependen en gran medida de contar con genomas de referencia de alta calidad, que deben representar fielmente el material genético de origen.
Sin embargo, al contrario que para el humano, la situación dista mucho de ser perfecta para la mayoría de organismos conocidos. Esto se debe, en parte, a que las técnicas de secuenciación tienen limitaciones técnicas. Incluso las más avanzadas, como las de Ultima Genomics, presentan errores. Por ejemplo, hay problemas importantes a la hora de analizar la composición de regiones repetidas del ADN, que pueden contener información vital.
El peligro y las consecuencias de una secuenciación incorrecta o incompleta son reales. Si los genomas que se usan de referencia en los estudios científicos contienen errores, como secuencias inexactas o contaminación, podrían identificarse cambios en algunas de las cuatro bases del ADN, mutaciones, que en realidad no existen. También se podrían ignorar genes completos que puede ser vitales para la enfermedad o proceso en estudio. Además de usar genomas lo más correctos posible, realizar análisis bioinformáticos robustos es también muy valioso para evitar llegar a interpretaciones y resultados que pueden ser totalmente falsos.
El peligro de errores en el estudio de parásitos mortales
En este contexto, es relevante el caso de los parásitos. La gran mayoría de los genomas disponibles para parásitos tienen limitaciones, pese a que causan algunas de las enfermedades humanas más mortales.
El principal problema es que gran parte del conocimiento se basa en genomas que se han obtenido a partir de cultivos de parásitos en el laboratorio. Estos difieren de los parásitos que circulan en entornos naturales. Por ejemplo, los parásitos naturales están sometidos a procesos evolutivos y de adaptación, que dejan huellas en su genoma. Estas secuencias de laboratorio son entendidas como genomas de referencia, supuestamente representativos de todos los parásitos del mundo. Pero es necesario evitar esta generalización, produciendo nuevos genomas y mejorando los que se utilizan en cada estudio o circunstancia concreta. Así, cuanto más detallados y precisos sean los genomas, más fácil nos será conducir por el diverso paisaje de la Biología.
El valor de ILRA y el parásito de la malaria
Herramientas bioinformáticas como la recientemente desarrollada ILRA pueden ayudar a la generación de nuevos genomas lo más correctos y completos posible, que hasta ahora se presentan como borradores.
ILRA se basa principalmente en integrar datos a partir de diferentes tecnologías de secuenciación. Esta aproximación híbrida combina datos de diferentes tecnologías. Así, se complementarían las ventajas y desventajas de cada método, obteniendo un resultado final perfeccionado.
ILRA es automática, no exige grandes conocimientos bioinformáticos que no suelen ser accesibles para la mayoría de grupos de investigación, contribuyendo a una ciencia más igualitaria. Cualquier laboratorio, sin importar sus recursos o experiencia, podría hoy día enfrentarse al desafío de producir genomas de alta calidad con más instrumentos.
La herramienta se ha puesto a prueba con el parásito Plasmodium falciparum, que es el causante de la malaria y uno de los organismos con una composición de ADN más inusual. En el genoma del Plasmodium falciparum las bases A y T superan el 80 % de media, en lugar de una proporción más equilibrada. Esto ha dificultado su estudio y limitado el conocimiento básico de su biología.
La malaria humana es una de las enfermedades infecciosas más importantes. Esta enfermedad es causante de pobreza extrema y de cientos de miles de muertes al año, especialmente en países en vías de desarrollo y específicamente en África. En general, hasta ahora la lucha contra la malaria y otras enfermedades se ha visto perjudicada por la falta de buenos genomas. Nuevos y mejores genomas representarán la diversidad de los parásitos en la naturaleza. Así, podríamos desvelar las claves de la adaptación y virulencia de los parásitos, incluso dando pie a nuevos tratamientos.
En conclusión, la bioinformática, a través de herramientas como ILRA, tiene mucho que aportar para mejorar el estudio de los genomas, que en el futuro pueden llegar a ser la base para erradicar enfermedades devastadoras, como la malaria.