En 2010, los titulares de prensa de todo el mundo anunciaron uno de los logros más extraordinarios de la ciencia moderna: la creación de la primera forma de vida sintética en el mundo. Sus creadores, científicos dirigidos por J. Craig Venter, pusieron a la humanidad en el umbral de la fase más importante y emocionante de la investigación biológica: aquella que nos permitirá escribir el nuevo código genético para diseñar nuevas especies, que nos ayudarán a adaptarnos y evolucionar para sobrevivir a largo plazo. La ciencia de la genómica sintética tendrá un profundo impacto en la existencia humana, incluyendo la química y la generación de energía, la salud, el agua potable y la producción de alimentos, el control del medio ambiente, y, posiblemente, incluso nuestra propia evolución. En La vida a la velocidad de la luz, Venter presenta un estudio fascinante y autorizado de este campo emergente en el que detalla sus orígenes, sus desafíos y las controversias que lo envuelven, sin olvidar los efectos que tendrán sobre nuestras vidas. Esta frontera científica ofrece una oportunidad para reflexionar de nuevo la vieja pregunta “¿Qué es la vida?” y examinar lo que realmente significa “jugar a ser Dios”. La vida a la velocidad de la luz es una obra histórica, escrita por un visionario en el amanecer de una nueva era de la ingeniería genética.

J. Craig Venter

La vida a la velocidad de la luz

Desde la doble hélice a los albores de la vida digital

ePub r1.3

Titivillus 18.04.2022

Título original: Life at the Speed of Light

J. Craig Venter, 2013

Traducción: Joandomènec Ros

Editor digital: Titivillus

ePub base r2.1

Al equipo que contribuyó a hacer que la primera célula sintética fuera una realidad: Mikkel A. Algire, Nina Alperovich, Cynthia AndrewsPfannkoch, Nacyra Assad-Garcia, Kevin C. Axelrod, Holly BadenTillson, Gwynedd A. Benders, Anushka Brownley, Christopher H. Calvey, William Carrera, Ray-Yuan Chuang, Jainli Dai, Evgeniya A. Denisova, Tom Deernick, Mark Ellisman, Nico Enriquez, Robert Friedman, Daniel G. Gibson, John I. Glass, Jessica Hostetler, Clyde A. Hutchinson III, Prabha Iyer, Radha Krishnakumar, Carole Lartigue, Matt Lewis, Li Ma, Mahir Maruf, Admasu Melanke, Chuck Merryman, Michael G. Montague, Monzia M. Moodie, Vladimir N. Noskov, Prashanth P. Parmar, Quang Phan, Rembert Pieper, Thomas H. Segall-Shapiro, Hamilton O. Smith, Timothy B. Stockwell, Lijie Sun, Granger Sutton, Yo Suzuki, David W. Thomas, Christopher E. Venter, Sanjay Vashee, Shibu Yooseph, Lei Young y Jayshree Zaveri.

1

Dublín, 1943-2012

¿Cómo pueden los acontecimientos en el espacio y en el tiempo, que tienen lugar dentro de los límites de un organismo vivo, explicarse mediante la física y la química?… La evidente incapacidad de la física y la química actuales para explicar dichos acontecimientos no es en absoluto razón para dudar de que estas ciencias terminen por explicarlos.

ERWIN SCHRÖDINGER, ¿Qué es la vida? (1944)[1]

«¿Qué es la vida?» Sólo cuatro palabras sencillas, pero de ellas surge un universo de preguntas que no son menos intrigantes. ¿Qué es exactamente lo que separa lo animado de lo inanimado? ¿Cuáles son los ingredientes básicos de la vida? ¿Cuándo se agitó por vez primera la vida? ¿Cómo surgieron por evolución estos primeros organismos? ¿Hay vida en todas partes? ¿En qué medida está la vida extendida por el cosmos? Si acaso existen otros tipos de organismos en los exoplanetas, ¿son tan inteligentes como nosotros, o incluso más?

Hoy en día, estas preguntas sobre la naturaleza y los orígenes de la vida siguen siendo las mayores y las más arduamente debatidas de toda la biología. Toda la disciplina depende de ello, y aunque todavía estamos buscando a tientas todas las respuestas, en las últimas décadas hemos hecho un enorme progreso para abordarlas. En realidad, hemos avanzado más en esta búsqueda durante el período que recordamos que durante las diez mil generaciones, aproximadamente, que los seres humanos llevan caminando sobre el planeta.[2] Acabamos de entrar en lo que yo llamo «la era digital de la biología», en la que los ámbitos antaño distintos de los códigos informáticos y de los que programan la vida están empezando a fusionarse, en la que aparecen nuevas sinergias que conducirán a la evolución en direcciones radicales.

Si tuviera que señalar el momento en el que creo que nació la moderna ciencia biológica, este sería en febrero de 1943, en Dublín, cuando Erwin Schrödinger (1887-1961), un físico austríaco, centró su mente en el tema fundamental de toda la biología. Dublín se había convertido en el hogar de Schrödinger en 1939, en parte para escapar de los nazis, en parte debido a la tolerancia que mostraba hacia su vida doméstica nada convencional (vivía en un ménage à trois y buscaba inspiración en «tempestuosas aventuras sexuales»),[3] y en parte debido a la iniciativa del que entonces era taoiseach (primer ministro, en gaélico) de Irlanda, Éamon de Valera, que lo había invitado a trabajar allí.

Schrödinger había obtenido el premio Nobel en 1933 por sus esfuerzos para idear una ecuación para las ondas cuánticas, que tuviera el poder de explicar el comportamiento de las partículas subatómicas, del propio universo, y de todo lo que hay en medio. Ahora, diez años después, hablando bajo los auspicios del Instituto de Estudios Avanzados de Dublín, que había ayudado a fundar con De Valera, Schrödinger impartió una serie de tres conferencias en el Trinity College, de Dublín, que todavía se citan en la actualidad. Tituladas «¿Qué es la vida? El aspecto físico de la célula viva», las charlas estaban inspiradas en parte por el interés de su padre en la biología y en parte por un artículo[4] de 1935 que resultó de un encuentro previo entre la física y la biología en la Alemania anterior a la guerra. Entonces los físicos alemanes Karl Zimmer y Max Delbrück habían trabajado con el genetista ruso Nikolai Timoféeff-Ressovsky para determinar una estima del tamaño de un gen («unos mil átomos»), sobre la base de la capacidad de los rayos X de lesionar genes y provocar mutaciones en las moscas del vinagre.

Schrödinger inició la serie a las 4.30 de la tarde del viernes 5 de febrero, con el taoiseach sentado frente a él en la audiencia. Un periodista de la revista Time estaba presente y describió que «no se permitió la entrada a la muchedumbre a la conferencia científica, que estaba abarrotada. Ministros del gobierno, diplomáticos, académicos y miembros de la alta sociedad aplaudieron ruidosamente a un delgado profesor de física, nacido en Viena, que ha ido más allá de las ambiciones de cualquier otro matemático». Al día siguiente, The Irish Times llevaba un artículo sobre «La célula viva y el átomo», que empezaba describiendo el propósito de Schrödinger de explicar los acontecimientos que ocurrían en el seno de una célula viva usando únicamente la química y la física. La conferencia fue tan popular que tuvo que repetir toda la serie los siguientes lunes.

Schrödinger convirtió sus conferencias en un librito que se publicó al año siguiente, dos años antes de mi propio nacimiento. ¿Qué es la vida? ha influido sobre generaciones de biólogos. Cincuenta años después de haber impartido aquellas notables charlas, Michael P. Murphy y Luke A. J. O’Neill, del Trinity, celebraron el aniversario invitando a destacados científicos de toda una serie de disciplinas (una prestigiosa lista de invitados, que incluía a Jared Diamond, Stephen Jay Gould, Stuart Kauffman, John Maynard Smith, Roger Penrose, Lewis Wolpert y los premios Nobel Christian de Duve y Manfred Eigen) para que predijeran qué es lo que podría ocurrir durante el medio siglo siguiente. He leído ¿Qué es la vida? al menos en cinco ocasiones distintas, y cada vez, en función de la fase de mi carrera, su mensaje ha adoptado significados diferentes junto con nueva prominencia e importancia.

La razón por la que el delgado volumen de Schrödinger haya resultado ser tan influyente es que, en el fondo, es simple: planteaba los problemas centrales de la biología (la herencia, y cómo los organismos utilizan la energía para mantener el orden) desde una perspectiva nueva y audaz. Con claridad y concisión, Schrödinger argumentaba que la vida tenía que obedecer las leyes de la física y, como corolario, que se podían emplear las leyes de la física para hacer importantes deducciones acerca de la naturaleza de la vida. Schrödinger observó que los cromosomas tenían que contener «algún tipo de código que determine todo el patrón del desarrollo futuro del individuo». Dedujo que el código tenía que contener «una asociación bien ordenada de átomos, dotada de suficiente capacidad resistiva para mantener de manera permanente su orden», y explicaba que el número de átomos en un «cristal aperiódico» podía contener suficiente información para la herencia. Empleaba el término «cristal» para sugerir estabilidad, y lo caracterizaba como «aperiódico», que a diferencia de una pauta periódica, repetitiva (que, explicaba The Irish Times, es como «una tira de papel pintado ordinario cuando se compara con un tapiz detallado»), podía tener un elevado contenido de información. Schrödinger razonaba que este cristal no tenía que ser muy complejo para contener un elevado número de permutaciones, y que podía ser tan básico como un código binario, como el código Morse. Que yo sepa, esta es la primera mención de que el código genético podría ser tan sencillo como un código binario.

Una de las propiedades más notables de la vida es esta capacidad de crear orden: pulir un cuerpo complejo y ordenado a partir de la confusión química de su entorno. A primera vista, dicha capacidad parece ser un milagro que contraviene la deprimente segunda ley de la termodinámica, que afirma que todo tiende a pasar del orden al desorden. Pero esta ley es de aplicación únicamente a un «sistema cerrado», como un tubo de ensayo sellado, mientras que los seres vivos son sistemas abiertos (o son una pequeña parte de un sistema cerrado mayor), y son permeables a la energía y la masa de su entorno. Gastan grandes cantidades de energía para crear orden y complejidad en forma de células.

Schrödinger dedicó gran parte de su conferencia a la termodinámica de la vida, un tema que ha sido relativamente poco investigado en comparación con los descubrimientos en genética y biología molecular. Describió el regalo de la vida «de concentrar una “corriente de orden” en sí misma y escapar así de la descomposición en un “caos atómico”, y de “beber orden” de un ambiente adecuado». Había deducido de qué manera un «sólido aperiódico» tenía algo que ver con esta hazaña creativa. En el seno del código residían los medios de redistribuir las sustancias químicas cercanas para que aprovecharan los remolinos en la gran corriente de entropía y hacer que vivieran en la forma de una célula o un cuerpo.

La hipótesis de Schrödinger inspiraría a varios físicos y químicos que dirigieron su atención a la biología después de haberse desilusionado con la contribución de sus campos respectivos al Proyecto Manhattan, el enorme esfuerzo para construir la bomba atómica durante la segunda guerra mundial. En el momento de la conferencia de Schrödinger, el mundo científico creía que eran las proteínas, y no el ADN, lo que formaba la base del material genético. En 1944 llegó la primera prueba clara de que el ADN y no la proteína, era, en realidad, el portador de información. El libro de Schrödinger motivó al americano James Watson y al británico Francis Crick a buscar el código, que finalmente los llevó al ADN y a descubrir la estructura más bella de toda la biología, la doble hélice, dentro de cuyas lazadas residen los secretos de toda la herencia. Cada hebra de la doble hélice es complementaria de la otra, y por lo tanto corren en direcciones opuestas (antiparalelas). Como resultado, la doble hélice puede abrirse a lo largo como una cremallera, y cada lado puede servir como patrón o plantilla para el otro, de modo que la información del ADN puede copiarse y transmitirse a la progenie. El 12 de agosto de 1953, Crick envió una carta a Schrödinger en la que le indicaba esto, y añadía que «su término “cristal aperiódico” resultará ser muy adecuado».

En la década de 1960 se descubrieron los detalles del funcionamiento preciso de este código, y después se descifraron. Ello llevó a la formulación, por parte de Crick, en 1970, del «dogma central», que definía la manera en que la información genética fluye a través de los sistemas biológicos. En la década de 1990 yo dirigiría el equipo que leería el primer genoma de una célula viva y después dirigiría uno de los dos equipos que leerían el código humano, en una carrera con Watson y otros que fue muy aireada en los medios y que a menudo fue acalorada, aviesa y política. Al iniciarse el nuevo milenio, poseíamos nuestro primer panorama real de los notables detalles del cristal aperiódico que contenía el código de la vida humana.

En el pensamiento de Schrödinger estaba implícita la idea de que este código había estado emitiendo sus señales desde los albores de toda la vida, hace unos cuatro mil millones de años. Al hilo de esta idea, el biólogo y escritor Richard Dawkins dio con la imagen evocadora de un río que surgía del edén.[5] Este río de lento fluir consiste en información, en los códigos para construir seres vivos. La fidelidad de la copia del ADN no es perfecta, y junto con el daño oxidativo y ultravioleta que ha tenido lugar durante generaciones, se han producido suficientes cambios en el ADN para introducir variaciones de nuevas especies. Como resultado, el río se divide y se bifurca, dando lugar a incontables nuevas especies en el decurso de miles de millones de años.

Hace medio siglo, el gran genetista evolutivo Motoo Kimura estimó que la cantidad de información genética ha aumentado del orden de cien millones de bits a lo largo de los últimos quinientos millones de años.[6] El código de ADN ha llegado a dominar la ciencia biológica, hasta el punto que en el siglo XXI la biología se ha convertido en una ciencia de la información. Sydney Brenner, el biólogo surafricano ganador de un premio Nobel, señaló que el código «debe formar el núcleo de la teoría biológica».[7] Actualmente los taxónomos utilizan códigos de barras de ADN para ayudar a distinguir a una especie de otra.[8] Otros han empezado a usar el ADN en computación,[9] o como un medio de almacenar información.[10] Yo mismo he dirigido proyectos no sólo para leer el código digital de la vida, sino también para escribirlo, simularlo con un ordenador, e incluso reescribirlo para formar nuevas células vivas.

El 12 de julio de 2012, casi siete décadas después de las conferencias originales de Schrödinger, me encontraba yo en Dublín, por invitación del Trinity College. Se me pidió que volviera al gran tema de Schrödinger e intentara proporcionar nuevas ideas y respuestas a la profunda pregunta de definir la vida, basado en la ciencia moderna. Todos siguen interesados en la respuesta, por razones obvias, y yo también tengo razones muy personales. Cuando era un joven soldado en Vietnam descubrí, para mi asombro, que la diferencia entre lo animado y lo inanimado puede ser sutil: un minúsculo fragmento de tejido puede distinguir a una persona viva y que respira de un cadáver; incluso con buena atención médica, la supervivencia podía depender en parte de la actitud mental positiva del paciente, de mantenerse alegre y optimista, lo que demuestra que una complejidad superior puede derivarse de combinaciones de células vivas.

Un jueves, a las 7.30 de la tarde, con el beneficio de décadas de progreso en biología molecular, subí al mismo estrado en el que apareció Schrödinger y, como él, tenía delante al taoiseach, en lo que ahora es la Sala de Exámenes del Trinity College, un telón de fondo sin par. Bajo una enorme araña de luces y frente a retratos de personajes como William Molyneaux y Jonathan Swift, dirigí la mirada a una audiencia de cuatrocientas caras dirigidas hacia arriba y a los focos deslumbrantes de las cámaras de todo tipo y descripción. A diferencia de las conferencias de Schrödinger, sabía que la mía iba a ser registrada, retransmitida en directo, que aparecería en blogs y que iba a ser tuiteada mientras abordaba de nuevo la pregunta que mi predecesor tanto había hecho para contestar.

A lo largo de los sesenta minutos siguientes, expliqué cómo la vida consiste en último término en máquinas biológicas impulsadas por ADN. Todas las células vivas funcionan con equipo lógico de ADN, que dirige cientos de miles de proteínas robots. Hemos estado digitalizando la vida durante décadas, desde que descubrimos por primera vez cómo leer los programas informáticos de la vida mediante la secuenciación del ADN. Ahora podemos ir en la otra dirección, empezando con el código digital computarizado, diseñando una nueva forma de vida, sintetizando químicamente su ADN, y después haciéndolo arrancar para producir el organismo real. Y puesto que la información ahora es digital podemos enviarla a cualquier lugar, a la velocidad de la luz, y recrear el ADN y la vida en el otro extremo. Sentado junto al taoiseach Enda Kenny se hallaba mi viejo y autoproclamado rival, James Watson. Una vez hube terminado, subió al estrado, me estrechó la mano y amablemente me felicitó por «una bellísima conferencia».[11]

La vida a la velocidad de la luz, que se basa en parte en mi conferencia en el Trinity College, pretende describir el increíble progreso que hemos hecho. En el decurso de una vida, hemos avanzado desde el «cristal aperiódico» de Schrödinger hasta una comprensión del código genético y hasta la prueba, mediante la construcción de un cromosoma sintético y por tanto de una célula sintética, de que el ADN es el equipo lógico de la vida. Esta empresa se basa en tremendos avances realizados a lo largo del último medio siglo, que han hecho un conjunto de individuos extraordinariamente dotados en laboratorios de todo el mundo. Proporcionaré un panorama general de estos descubrimientos en biología molecular y sintética, en parte para rendir tributo a esta empresa épica, en parte para reconocer las contribuciones que han hecho científicos importantes y clave. Mi objetivo no es ofrecer una historia completa de la biología sintética, sino verter un poco de luz sobre el poder de esta extraordinaria empresa cooperativa a la que llamamos ciencia.

El ADN, en tanto que información digitalizada, no sólo se acumula en las bases de datos de los ordenadores, sino que ahora puede transmitirse como una onda electromagnética a la velocidad de la luz, o casi, a través de un teleportador biológico, para que recree proteínas, virus y células vivas en una localidad remota, quizá cambiando para siempre la manera en que consideramos la vida. Con esta nueva comprensión de la vida, y con los recientes avances en nuestra capacidad para manipularla, se entreabre la puerta para revelar posibilidades nuevas y excitantes. Al tiempo que la era industrial se está terminando, somos testigos del alba de una era de diseño biológico. La humanidad está a punto de entrar en una nueva fase de la evolución.

2

La síntesis química como prueba

Este tipo de biología sintética, un gran reto para crear vida artificial, pone también en tela de juicio nuestra definición-teoría de la vida. Si la vida no es nada más que un sistema químico autosuficiente capaz de evolución darwiniana y si comprendemos realmente de qué manera la química podría soportar la evolución, entonces tendríamos que poder sintetizar un sistema químico artificial capaz de evolución darwiniana. Si lo conseguimos, se demostrará que las teorías que sostenían nuestro éxito son habilitadoras… Por el contrario, si fracasamos en obtener una forma de vida artificial después de un esfuerzo para crear un sistema químico…, tendremos que llegar a la conclusión de que a nuestra teoría de la vida le falta algo.

STEVEN A. BENNER, 2009[12]

Los humanos se han sentido siempre fascinados por la idea de vida artificial. Desde el homúnculo medieval de Paracelso y el golem del folclore judío hasta la criatura del Frankenstein de Mary Shelley y los «replicantes» de Blade Runner, la mitología, la leyenda y la cultura popular están llenas de relatos de vida sintética y robótica. Sin embargo, idear una definición precisa que capte la distinción entre vida y no vida, o entre vida biológica y vida de máquina, ha sido un reto importante tanto para la ciencia como para la filosofía, y continúa siéndolo.

Durante siglos, un objetivo principal de la ciencia ha sido, primero, comprender la vida en su nivel más básico y, segundo, aprender a controlarla. El biólogo americano de origen alemán Jacques Loeb (1859-1924), fue quizá el primer ingeniero biológico verdadero. En sus laboratorios de Chicago, Nueva York y Woods Hole, Massachusetts, construyó lo que llamó «máquinas durables» en su libro de 1906 The Dynamics of Living Matter.[13] Loeb obtuvo gusanos de dos cabezas y, lo que resultó más famoso, consiguió que huevos de erizos de mar iniciaran el desarrollo embrionario sin ser fecundados por espermatozoides.[14] No es extraño que Loeb se convirtiera en la inspiración para el personaje de Max Gottlieb en la novela Doctor Arrowsmith, de Sinclair Lewis, publicada en 1925 y ganadora de un premio Pulitzer; se trata de la primera gran obra de ficción que idealiza la ciencia pura, y que incluye la capacidad antibacteriana de los virus llamados bacteriófagos.

En Controlling Life: Jacques Loeb and the Engineering Ideal in Biology (1987), Philip J. Pauly cita una carta que Loeb envió en 1890 al físico y filósofo vienés Ernst Mach (1838-1916), en la que Loeb afirmaba: «Ante mí planea ahora la idea de que el propio hombre puede actuar como creador, incluso en la naturaleza viva, formándola en último término según su voluntad. El hombre puede al menos tener éxito en una tecnología de sustancia viva [einer Technik der lebenden Wesen]». Quince años después, Loeb escribía en el prefacio de un volumen de sus artículos científicos la explicación de que «a pesar de la diversidad de temas, una única idea impregna todos los artículos de esta colección, a saber, que es posible poner a los fenómenos de la vida bajo nuestro control, y que un tal control, y ninguna otra cosa, es el propósito de la biología».

Los orígenes de la concepción mecanicista de la vida de Loeb pueden de hecho vislumbrarse siglos antes de su correspondencia con Mach. Algunas de las primeras teorías de la vida eran «materialistas» en contraste con las que se basaban en un proceso no físico que se encontraba fuera de la naturaleza material y fiaba en unos medios sobrenaturales de creación. Empédocles (c. 490-430 a. C.) afirmaba que todo, incluso la vida, está hecho de una combinación de cuatro «elementos» o «raíces de todo» eternos: tierra, agua, aire y fuego. Aristóteles (384-322 a. C.), uno de los «materialistas» originales, dividió el mundo en los tres grupos principales de animales, vegetales y minerales, una clasificación que todavía se enseña en la actualidad en las escuelas. En 1996, mi equipo secuenció el primer genoma de un arqueo. Dicha secuencia fue considerada por algunos como prueba de que los arqueos, tal como había propuesto por primera vez el microbiólogo americano Carl Woese, representan una tercera rama de la vida. Cuando la noticia se difundió, el presentador de televisión Tom Brokaw preguntó de forma retórica: «Tenemos animales, vegetales y minerales. ¿Qué será la nueva rama?».

A medida que los conocimientos aumentaban, los pensadores se hicieron más ambiciosos. Entre los griegos, la idea de alterar la naturaleza para que se acomodara a los deseos humanos o de intentar controlarla se veía como algo absurdo. Pero desde el nacimiento de la revolución científica, en el siglo XVI, un objetivo fundamental de la ciencia ha sido no sólo investigar el cosmos a su nivel más básico, sino también domeñarlo. Francis Bacon (1561-1626), el erudito inglés que nos dio el empirismo, señaló, en efecto, que era mejor demostrar que simplemente contar: los griegos «ciertamente tienen lo que es característico de los muchachos; están siempre dispuestos a parlotear pero no pueden generar; porque su sabiduría abunda en palabras pero es estéril en obras… De todos estos sistemas de los griegos, y de sus ramificaciones a través de ciencias concretas, apenas puede aducirse, después del lapso de tantos años, un solo experimento que tienda a aliviar y beneficiar la condición del hombre».

En su novela utópica Nueva Atlántida (1623),[15] Bacon esbozó su visión de un futuro marcado por el descubrimiento humano e incluso imaginó una institución científica promovida por el estado, la Casa de Salomón,[16] en la que el objetivo es «establecer el dominio sobre la naturaleza y realizar todas las cosas posibles». Su novela describe experimentos con «bestias y aves», y lo que parece modificación genética: «Por un arte parecido los hacemos mayores o menores que los de su clase, y por el contrario los empequeñecemos y detenemos su crecimiento; los hacemos más fecundos y productivos que los de su clase, y al contrario estériles y no generativos. También los hacemos diferentes en color, forma, actividad, en muchos aspectos». Bacon alude incluso a la capacidad de diseñar vida: «Y esto tampoco lo hacemos al azar, sino que de antemano conocemos de qué materia y qué mezcla, qué tipo de estos animales surgirá».[17]

En esta búsqueda de poder sobre la naturaleza, la ciencia ve una unión entre la búsqueda del conocimiento y el servicio al hombre. René Descartes (1596-1650), un pionero de la óptica a quien todos asociamos con la frase «Pienso, luego existo», también miraba hacia el futuro en su Discurso del método (1637),[*] hacia un día en el que la humanidad se convertiría en «dueña y poseedora de la naturaleza». Descartes y sus sucesores extendieron las explicaciones mecanicistas de los fenómenos naturales a los sistemas biológicos, y después exploraron sus implicaciones. Sin embargo, desde el nacimiento mismo de esta gran empresa, los críticos expresaron la preocupación de que no se tenían en cuenta cuestiones más amplias y filosóficas en la búsqueda del dominio eficiente sobre la naturaleza. Con el espíritu fáustico de la ciencia moderna surgió un debate acerca de la oportunidad de que los humanos «jugaran a ser Dios».

No había la menor duda, para algunos, de que el ejemplo supremo de asumir el papel de la deidad era la creación de algo vivo en un laboratorio. En su libro The Nature and Origin of Life: In the Light of New Knowledge (1906), el biólogo y filósofo francés Félix Le Dantec (1869-1917) discute la evolución (o «transformismo», el término usado para el cambio de especies en las discusiones predarwinistas en Francia) de las especies modernas a partir de un organismo primigenio, mucho más simple, «un protoplasma vivo reducido a la mínima suma de caracteres hereditarios». Escribía: «Arquímedes dijo, en una proposición simbólica que tomada al pie de la letra es absurda, “Dadme un punto de apoyo y moveré el mundo”. De la misma manera, el transformista de hoy en día tiene todo el derecho a decir: “Dadme un protoplasma vivo y reharé todos los reinos animal y vegetal”». Le Dantec era muy consciente de que esta tarea sería difícil de conseguir con los medios primitivos que tenía a su disposición: «Nuestro conocimiento de los coloides [macromoléculas] es todavía tan reciente y rudimentario que no debiéramos contar con un éxito rápido en los esfuerzos para fabricar una célula viva». Le Dantec estaba tan seguro de que el futuro produciría células sintéticas que afirmaba: «Con el nuevo saber que la ciencia ha adquirido, la mente ilustrada ya no necesita ver la fabricación de protoplasma con el fin de convencerse de la ausencia de toda diferencia esencial y toda discontinuidad absoluta entre la materia viva y la no viva».[18]

En el siglo anterior, los químicos habían indagado la frontera entre lo animado y lo inanimado; entre ellos se cuenta Jöns Jacob Berzelius (1778-1848), un científico sueco que es considerado uno de los pioneros de la química moderna. Berzelius había sido el primero en aplicar la teoría atómica a la química orgánica «viva»,[19] a partir de la obra del padre francés de la química, Antoine Lavoisier (1743-1794), y otros. Definió las dos principales ramas de la química como «orgánica» e «inorgánica», siendo los compuestos orgánicos los que son distintos de todos los demás compuestos químicos por contener átomos de carbono. La aplicación durante el primer siglo del término «orgánico» significaba «procedente de la vida». Pero por la época en que Berzelius inventó las definiciones que todavía usamos en la actualidad en su influyente manual de química, de principios del siglo XIX, los vitalistas y neovitalistas consideraron el mundo orgánico de manera todavía más única: «Las sustancias orgánicas tienen al menos tres constituyentes… no pueden prepararse artificialmente… sino sólo a través de afinidades asociadas con la fuerza vital. Resulta evidente que no pueden aplicarse las mismas reglas a la química orgánica y a la inorgánica, al ser esencial la influencia de la fuerza vital».[20]

Hace tiempo que se atribuye al químico alemán Friedrich Wöhler (1800-1882), que trabajó brevemente con Berzelius, un descubrimiento que «refutó» el vitalismo: la síntesis química de la urea. Todavía pueden encontrarse referencias a su experimentum crucis en manuales modernos, conferencias y artículos. El logro fue un momento señalado en los anales de la ciencia, que marcó el principio del fin de una influyente idea que se remontaba a la Antigüedad: a saber, que existía una «fuerza vital» que distinguía lo animado de lo inanimado, un «espíritu» distintivo que infundía todos los cuerpos para darles vida. Parecía que Wöhler había creado algo de vida a partir de sustancias químicas simples; era un momento único, lleno de posibilidades. Con un único experimento, había transformado la química (que, hasta entonces, había estado dividida en ámbitos separados de moléculas de la vida y sustancias químicas no vivas), y hacía avanzar la aguja una muesca más, apartándola de la superstición y acercándola a la ciencia. Su avance llegó sólo una década después de la publicación del relato gótico de Mary Shelley, Frankenstein, el cual también había aparecido sólo unos pocos años después de que Giovanni Aldini (1762-1834) intentara revivir a un criminal muerto mediante descargas eléctricas.

Wöhler explicó su descubrimiento en una carta a Berzelius de fecha 12 de enero de 1828,[21] en la que describía el momento en que, en la Escuela Politécnica de Berlín, creó accidentalmente urea, el principal compuesto portador de nitrógeno que se encuentra en la orina de los mamíferos. Wöhler había intentado sintetizar ácido oxálico, un constituyente del ruibarbo, a partir de las sustancias químicas cianógeno y amoníaco acuoso, y terminó con una sustancia blanca y cristalina. Empleando una experimentación meticulosa, proporcionó un análisis preciso de la urea natural y demostró que tenía exactamente la misma composición que sus cristales. Hasta entonces, la urea se había aislado únicamente a partir de fuentes animales.

Ansioso porque no había recibido respuesta de Berzelius, Wöhler le escribió de nuevo, en una carta fechada el 22 de febrero de 1828:

Espero que le haya llegado mi carta de 12 de enero, y aunque he estado esperando cada día o incluso cada hora su respuesta, no esperaré más sino que le escribo porque ya no puedo contener por más tiempo, por así decirlo, mi orina química, y espero manifestar que puedo producir urea sin necesidad de un riñón, ya sea de hombre o de perro; la sal amónica del ácido ciánico es urea… El supuesto cianato de amonio se obtuvo fácilmente haciendo reaccionar cianato de plomo con solución de amonio. El cianato de plata y la solución de cloruro amónico son igualmente buenos. Se obtuvieron prismas de cuatro lados y ángulos rectos, bellamente cristalinos; pero cuando se trataron con ácidos no se liberaron ácidos ciánicos, y con álcalis no hubo trazas de amoníaco. Pero con ácido nítrico se formaron escamas brillantes de un compuesto que cristalizó fácilmente, de carácter fuertemente ácido; estaba dispuesto a aceptar que se trataba de un nuevo ácido, pero cuando se calentó no se produjo ácido nítrico ni ácido nitroso, sino una gran cantidad de amoníaco. Después descubrí que si se saturaba con álcali reaparecía el llamado cianato amónico, que podía extraerse con alcohol. ¡Ahora, de repente, lo tenía! Todo lo que se necesitaba era comparar la urea procedente de la orina con esta urea procedente de un cianato.[22]

Cuando Berzelius contestó finalmente, su reacción fue a la vez humorística y entusiasta: «Una vez que uno ha iniciado su inmortalidad en la orina, no hay duda de que están presentes todas las razones para completar su ascensión en la misma cosa; y, en verdad, Herr Doktor ha inventado realmente un truco que conduce a través del verdadero camino hasta un nombre inmortal… Esto será realmente muy esclarecedor para futuras teorías».

Y parece que este fue el caso. En septiembre de 1837, Justus von Liebig (1803-1873), un influyente personaje que había realizado progresos fundamentales en química, como revelar la importancia del nitrógeno como nutriente para las plantas, dirigía la palabra en Liverpool a la sociedad sabia conocida como Asociación Británica para el Progreso de la Ciencia.[23] Von Liebig comentó la «extraordinaria y hasta cierto punto inexplicable producción de urea sin la ayuda de las funciones vitales» por parte de Wöhler, y añadía que «ha comenzado una nueva era en ciencia».[24]

Pronto se empezó a informar de la hazaña de Wöhler en los libros de texto, notablemente en la Beiträge zur Geschichte der Chemie[*] (1843), de Hermann Franz Moritz Kopp, que describía cómo «destruyó la distinción que se aceptaba anteriormente entre cuerpos orgánicos e inorgánicos». En 1954, se resaltó la importancia de la síntesis de Wöhler cuando otro químico alemán, Hermann Kolbe, escribió que siempre se había creído que los compuestos del cuerpo de animales y plantas «debían su formación a una fuerza intrínseca bastante misteriosa exclusiva de la naturaleza viva, la llamada fuerza vital».[25] Pero ahora, como resultado del descubrimiento «trascendental y memorable» de Wöhler, la divisoria entre compuestos orgánicos e inorgánicos se había venido abajo.

Sin embargo, como ocurre cuando se vuelven a examinar muchos acontecimientos históricos, la «historia revisada» del trabajo de Wöhler puede proporcionar nuevos atisbos que pueden sorprender a quienquiera que acepte los relatos tradicionales de los libros de texto, lo que el historiador de la ciencia Peter Ramberg denomina el «mito de Wöhler». Dicho mito alcanzó su apoteosis en 1937, en el libro de Bernard Jaffe Crisoles: historia de los grandes químicos, una historia popular de la química que presentaba a Wöhler como un joven químico que se afanaba en el «sagrado templo» de su laboratorio para desacreditar la misteriosa fuerza vital.

Ramberg señala que, dada la condición del logro de Wöhler como un hito experimental, resulta sorprendente que existan poquísimos relatos contemporáneos de la reacción ante el mismo. Aunque Berzelius quedó claramente impresionado por la obra de Wöhler, ello no fue tanto en el contexto del vitalismo como por el hecho de que la síntesis de urea señalaba la transformación de un compuesto del grupo de las sales en otro que no poseía ninguna de las propiedades de las sales. Al demostrar que el cianato de amonio puede convertirse en urea mediante una disposición interna de sus átomos, sin ganar ni perder en peso, Wöhler había proporcionado uno de los primeros y mejores ejemplos de lo que los químicos denominan isomería. Al hacerlo, contribuyó a demoler la antigua idea de que dos cuerpos que tengan diferentes propiedades físicas y químicas no pueden tener la misma composición.[26]

En la actualidad, los historiadores están de acuerdo por lo general en que un único experimento no fue responsable de la fundación del campo de la química orgánica. Parece que la síntesis de la urea por parte de Wöhler tuvo muy poco impacto real en el vitalismo. El mismo Berzelius pensaba que la urea, un producto de desecho, no era tanto una sustancia química orgánica como una que ocupaba el «entorno» entre lo orgánico y lo inorgánico.[27] Además, los materiales de partida de Wöhler se habían derivado de materiales orgánicos, y no de ingredientes inorgánicos. Y su hazaña tampoco era única: cuatro años antes él mismo había producido otro compuesto orgánico, el ácido oxálico, a partir de agua y cianógeno.[28] El historiador de la ciencia John Brooke dijo que, en último término, la síntesis de la urea por Wöhler «no fue más que un diminuto guijarro que obstruía un verdadero río de pensamiento vitalista».

El vitalismo, como la religión, no ha desaparecido simplemente en respuesta a nuevos descubrimientos científicos. Hace falta el peso acumulado de pruebas procedentes de muchos experimentos para desplazar un sistema de creencias. El continuo avance de la ciencia ha taponado progresivamente al vitalismo, aunque el esfuerzo ha durado siglos, e incluso hoy en día el programa para extinguir por completo esta creencia mística no está todavía completo.

Algunos de los descubrimientos clave que deberían haber socavado la antigua idea del vitalismo se remontan a 1665, cuando Robert Hooke (1635-1703), con su empleo pionero de un microscopio, descubrió las primeras células. Desde sus trabajos y los de otros innovadores, como el holandés Antonie van Leeuwenhoek (1632-1723), hemos acumulado evidencias de que las células surgieron por evolución como la estructura biológica primaria para todo lo que conocemos como vida. El vitalismo se enfrentó a retos más serios con la aparición de la ciencia moderna durante los siglos XVI y XVII. En 1839, algo más de una década después de la síntesis de urea por parte de Wöhler, Matthias Jakob Schleiden (1804-1881) y Theodor Schwann (1810-1882) escribieron: «Todos los seres vivos están compuestos de células vivas». En 1855, Rudolf Virchow (1821-1902), el padre de la patología moderna, propuso lo que se denominó la ley biogénica: Omnis cellula e cellula, o «Todas las células vivas surgen de células preexistentes». Esto suponía un claro contraste con la idea de «generación espontánea», que se remonta a los romanos y que, como sugiere el nombre, postula que la vida puede surgir espontáneamente a partir de materia no viva, como queresas de carne en putrefacción o moscas del vinagre de plátanos.

En sus famosos experimentos de 1859, Louis Pasteur (1822-1895) refutó la generación espontánea mediante un experimento sencillo. Hirvió caldo en dos recipientes diferentes, uno de ellos sin tapadera y abierto al aire, y el otro con un extremo curvado en forma de «S» y con un tapón de algodón. Cuando el frasco abierto al aire se enfrió, en él crecieron bacterias, pero no aparecieron en el segundo frasco. Se reconoce a Pasteur el haber demostrado que los microorganismos están en todas partes, incluido el aire. Tal como ocurrió con Wöhler, los detalles completos de su evidencia experimental no fueron tan concluyentes como a menudo se ha presentado, y sería necesaria la obra subsiguiente de científicos alemanes para proporcionar la prueba definitiva.[29]

Los experimentos de Pasteur llevaron a algunos científicos posteriores a descartar la posibilidad de que la vida se hubiera desarrollado originalmente a partir de sustancias químicas inorgánicas, o que pudiera desarrollarse a partir de ellas. En 1906, el biólogo y filósofo francés Félix Le Dantec escribía: «Se suele decir que Pasteur demostró la inutilidad de tales esfuerzos cuando… hombres de ciencia se esforzaban por reproducir vida en sus laboratorios. Pasteur únicamente demostró esto: si tomamos determinadas precauciones podemos impedir todas las invasiones por parte de especies vivas que realmente existen en determinadas sustancias que pueden servirles de alimento. Y eso es todo. El problema de la síntesis de protoplasma sigue siendo el que era».[30]

Aunque Pasteur había demostrado cómo excluir la vida de un ambiente estéril, no había hecho avanzar nuestra comprensión de cómo, a lo largo de miles de millones de años, la vida se había establecido en la joven Tierra. En 1880, el biólogo evolutivo alemán August Weismann (1834-1914) introdujo un importante corolario en la ley biogénica que señalaba hacia el origen último: «Las células que viven en la actualidad pueden hacer remontar su origen a tiempos antiguos». En otras palabras, tiene que haber una célula ancestral común. Y esto, desde luego, nos lleva a la obra revolucionaria de Charles Darwin, El origen de las especies (1859). Darwin (1809-1882), junto con el naturalista y explorador Alfred Russel Wallace (1823-1913), aducía que en las variaciones o cambios de todos los organismos existen características que se transmiten a lo largo de las generaciones. Algunas variaciones resultan en formas ventajosas que prosperan en cada generación sucesiva, de manera que ellas (y sus genes) se hacen más comunes. Esto es la selección natural. Con el tiempo, a medida que se acumulan versiones nuevas, un linaje puede evolucionar hasta tal extremo que ya no pueda intercambiar genes con otros que antaño fueron de su mismo parentesco. De esta manera, nace una nueva especie.

A pesar de estos avances científicos, el vitalismo tuvo defensores apasionados en el siglo XX. Entre ellos se contaba Hans Driesch (1867-1941), un eminente embriólogo alemán que, debido a que al problema intelectual de la formación de un cuerpo a partir de una sola célula sin ningún patrón le parecía insoluble, había retornado a la idea de entelequia (del griego entelécheia), que requiere un «alma», un «campo organizador» o una «función vital» que anime los ingredientes materiales de la vida. En 1952, el gran matemático inglés Alan Turing demostraría que un patrón puede surgir de novo en un embrión.[31] Asimismo, el filósofo francés Henri-Louis Bergson (1874-1948) postuló un élan vital para superar la resistencia de la materia inerte en la formación de un cuerpo vivo. Incluso hoy en día, aunque los científicos más serios creen que el vitalismo es un concepto que hace tiempo que se ha refutado, algunos no han abandonado todavía la idea de que la vida se basa en alguna fuerza misteriosa. Quizá esto no debiera ser una sorpresa: el término vitalismo ha tenido siempre tantos significados como defensores, y no acaba de encontrarse una definición ampliamente aceptada de la vida.

En nuestra propia época ha surgido una nueva clase de vitalismo. En esta forma más refinada el énfasis no se hace tanto en la presencia de una chispa vital, sino en el hecho de que las explicaciones actuales, reduccionistas y materialistas, parecen inadecuadas para explicar el misterio de la vida. Esta línea de pensamiento refleja la creencia de que la complejidad de una célula viva surge de un número enorme de procesos químicos que interactúan y que forman ciclos de retroalimentación interconectados y que no pueden describirse simplemente en términos de dichos procesos componentes y de sus reacciones constituyentes. Como resultado, hoy en día el vitalismo se manifiesta bajo la forma de alejar el énfasis del ADN y asociarlo a una propiedad «emergente» de la célula que de alguna manera es mayor que la suma de sus partes moleculares y de cómo operan en un ambiente determinado.

Este vitalismo nuevo y sutil produce como resultado una tendencia por parte de algunos de rebajar o incluso ignorar la importancia fundamental del ADN. Irónicamente, el reduccionismo no ha ayudado. La complejidad de las células, junto con la continuada subdivisión de la biología en departamentos docentes en la mayoría de universidades, ha hecho que muchos sigan una senda proteinocéntrica frente a una visión de la biología centrada en el ADN. En años recientes, la visión ADNcéntrica ha visto un énfasis creciente en la epigenética, el sistema de «interruptores» que hace que los genes funcionen o no lo hagan en una célula en respuesta a factores ambientales tales como el estrés y la nutrición. Ahora, muchos se comportan como si el campo de la epigenética estuviera realmente separado de la biología impulsada por el ADN y fuera independiente de ella. Cuando se atribuyen al citoplasma celular propiedades que no se pueden medir, se cae inadvertidamente en la trampa del vitalismo. Lo mismo es válido para el énfasis en las misteriosas propiedades emergentes de la célula sobre el ADN, que equivale a una restauración de Omnis cellula e cellula, la idea de que todas las células vivas surgen de células preexistentes.

Es realmente cierto que las células han evolucionado como el cimiento biológico primario para todo lo que conocemos como vida. Comprender su estructura y contenido ha sido, como resultado, la base de las importantes disciplinas fundamentales de la biología celular y de la bioquímica/metabolismo. Sin embargo, y como espero que podré dejar claro, las células mueren en cuestión de minutos a días si carecen de su sistema de información genética. La excepción más prolongada a esto son nuestros glóbulos rojos de la sangre, que tienen una vida media de 120 días. Sin información genética, las células no tienen manera de producir sus componentes proteínicos o su cubierta de moléculas lipídicas, que forman la membrana que retiene su contenido acuoso. No evolucionarán, no se replicarán, y no vivirán.

A pesar de que reconocemos que el mito que ha ensombrecido la síntesis de urea por parte de Wöhler no refleja de manera precisa los hechos históricos del caso, la lógica fundamental de este experimento ejerce todavía una poderosa y legítima influencia sobre los métodos científicos. En la actualidad, es una práctica generalizada demostrar que una estructura química es correcta mediante la síntesis de dicha sustancia química y la demostración de que la versión sintética tiene todas las propiedades de un producto natural. Decenas de miles de artículos científicos empiezan con esta premisa o contienen la frase «demostración por síntesis». Mi propia investigación ha sido guiada por los principios de la carta de Wöhler de 1828. Cuando, en mayo de 2010, mi equipo en el J. Craig Venter Institute (JCVI) sintetizó un cromosoma bacteriano completo a partir de código informático y de cuatro botellas de sustancias químicas, y después introdujimos el cromosoma en una célula para crear el primer organismo sintético, establecimos paralelismos con la obra de Wöhler[32] y su «síntesis como prueba».

La concepción materialista de la vida como máquinas ha hecho que algunos intentaran la creación de vida artificial fuera de la biología, con sistemas mecánicos y modelos matemáticos. En la década de 1950, cuando finalmente ya se aceptaba que el ADN era el material genético, la aproximación mecanicista ya se había divulgado en la literatura científica. En esta versión, la vida surgiría de mecanismos complejos, y no de química compleja. En 1929, el joven cristalógrafo irlandés John Desmond Bernal (1901-1971) imaginó la posibilidad de máquinas con una capacidad de reproducirse análoga a la de la vida, en un «futuro posbiológico» que describió en The World, the Flesh & the Devil: «Producir la vida será sólo una fase preliminar. El solo hecho de producir vida sólo será importante si pretendemos dejar que evolucione de nuevo por sí misma».

Una receta lógica para crear estos mecanismos complejos se desarrolló en la década siguiente. En 1936, Alan Turing, el criptógrafo y pionero de la inteligencia artificial, describió lo que ha llegado a conocerse como una máquina de Turing, que se describe mediante un conjunto de instrucciones escritas en una cinta. Turing definió asimismo una máquina de Turing universal, que puede realizar cualquier cómputo para el que pueda escribirse en conjunto de instrucciones. Este es el fundamento teórico del ordenador digital.

Las ideas de Turing las desarrolló más en la década de 1940 el notable matemático y erudito estadounidense John von Neumann, quien concibió una máquina que se autorreplicaba. Así como Turing había imaginado una máquina universal, Von Neumann ideó un constructor universal. El genio, de origen húngaro, esbozó sus ideas en una conferencia, «La teoría general y lógica de los autómatas», en el simposio Hixon de 1948, en Pasadena, California. Indicaba que los organismos naturales «son, por regla general, mucho más complicados y sutiles, y por lo tanto, es mucho más difícil entenderlos en detalle que los autómatas artificiales»; no obstante, sostenía que algunas de las regularidades que observamos en los primeros podrían ser instructivas cuando pensamos acerca de los segundos y los planificamos.

La máquina de Von Neumann incluye una «cinta» de celdillas[*] que codifica la secuencia de acciones que la máquina tendrá que realizar. Utilizando un cabezal de escritura (que denomina «brazo constructor») la máquina puede imprimir (construir) una nueva pauta de celdillas, lo que le permite hacer una copia completa de sí misma, y de la cinta. El replicador de Von Neumann era una estructura de aspecto macizo que consistía en una caja básica de ochenta por cuatrocientos cuadrados, el brazo constructor y una «cola de Turing», una tira de instrucciones codificadas que consistía en otros ciento cincuenta mil cuadrados. («Los autómatas [de Turing] son simplemente máquinas de computar —explicaba Von Neumann—. Lo que se necesita… es un autómata cuya producción sean otros autómatas»).[33] En conjunto, el organismo estaba constituido por unas doscientas mil de tales «células». Para reproducirse, la máquina utilizaba «neuronas» para proporcionar el control lógico, células de transmisión para llevar los mensajes desde los centros de control, y «músculos» para cambiar las celdillas circundantes. Siguiendo las instrucciones de la cola de Turing, la máquina extendería el brazo y después lo movería hacia delante y hacia atrás, creando una copia de sí misma mediante una serie de manipulaciones lógicas. La copia podría después producir otra copia, y así sucesivamente.

La naturaleza de dichas instrucciones se hizo más clara a medida que el mundo digital y los mundos biológicos de la ciencia avanzaban en paralelo durante este período. Erwin Schrödinger escribió entonces lo que parece que es la primera referencia a este «código»: «Son estos cromosomas, o probablemente sólo una fibra esquelética axial de lo que en realidad vemos bajo el microscopio como el cromosoma, lo que contiene en alguna especie de código toda la pauta del desarrollo futuro del individuo y de su funcionamiento en la fase adulta». Schrödinger continuaba diciendo que el «código» podía ser tan simple como un código binario: «De hecho, el número de átomos en una tal estructura no tiene por qué ser muy grande para producir un número casi ilimitado de disposiciones posibles. Como ilustración, piénsese en el código Morse. Los dos diferentes signos de punto y raya en grupos bien ordenados de no más de cuatro permiten treinta especificaciones diferentes».[34]

Aunque Von Neumann concibió su autómata autorreplicante algunos años antes de que se descubriera el código hereditario real en la doble hélice del ADN, hizo énfasis en su capacidad de evolucionar. Al público que asistía a su conferencia Hixton le dijo que cada instrucción que la máquina llevaba a cabo «efectuaba aproximadamente las funciones de un gen», y seguía describiendo de qué manera los errores en el autómata «pueden mostrar determinados rasgos típicos que aparecen en conexión con la mutación, letalmente por regla general, pero con una posibilidad de continuar la reproducción con una modificación de los rasgos». Tal como ha señalado el genetista Sydney Brenner, puede decirse que la biología ofrece los mejores ejemplos del mundo real de las máquinas de Turing y Von Neumann: «El concepto del gen como una representación simbólica del organismo (un código) es una característica fundamental del mundo vivo».[35]

Von Neumann continuó con su idea original de un replicador y concibió un autómata de base puramente lógica, que no requería un cuerpo físico ni una gran cantidad de partes, sino que estaba basado por el contrario en los estados cambiantes de las celdillas de una rejilla. Stanislaw Ulam, su colega en Los Álamos, Nuevo México (donde ambos trabajaban en el Proyecto Manhattan), había sugerido que Von Neumann desarrollara su diseño utilizando una abstracción matemática, como la que el propio Ulam había empleado para estudiar el crecimiento de cristales. Von Neumann dio a conocer el «autómata autorreproductor» resultante (el primer autómata celular) en las conferencias Vanuxem sobre «Máquinas y organismos», en la Universidad de Princeton, Nueva Jersey, entre el 2 y el 5 de mayo de 1953.

Mientras continuaban los esfuerzos para modelar la vida, nuestra comprensión de la biología real subyacente cambió cuando, el 25 de abril de 1953, James Watson y Francis Crick publicaron en la revista Nature un artículo que sería todo un hito,[36] «Estructura molecular de los ácidos nucleicos: una estructura para el ácido nucleico de la desoxirribosa». Su estudio, que se había hecho en Cambridge, Inglaterra, proponía la estructura en doble hélice del ADN, basada en los datos de rayos X de los cristales que habían obtenido Rosalind Franklin y Raymond Gosling en el King’s College de Londres. Watson y Crick describieron la estructura molecular elegantemente funcional de la doble hélice, y la manera en que el ADN se reproduce, de modo que sus instrucciones puedan transmitirse a las siguientes generaciones. Este es el autómata autorreproductor de la naturaleza.

El inicio de los esfuerzos para crear otro tipo de autómata autorreproductor, junto con los comienzos de la investigación sobre la vida artificial, datan de este período, cuando se empezaron a usar los primeros ordenadores modernos. El descubrimiento de la naturaleza codificada del sistema de información genética de la vida condujo naturalmente a paralelismos con las máquinas de Turing. El propio Turing, en su artículo seminal de 1950 sobre la inteligencia artificial, discutía cómo la supervivencia de los más aptos era «un método lento al que posiblemente se le podía dar un impulso, en especial porque un experimentador no estaba limitado a las mutaciones aleatorias».[37] Muchos empezaron a creer que la vida artificial surgiría de complejas interacciones lógicas dentro de un ordenador.

En este punto se combinaron diversas corrientes de pensamiento: las teorías de Von Neumann, con su trabajo en los primeros ordenadores y su autómata autorreproductor; de Turing, que planteaba cuestiones básicas acerca de la inteligencia de las máquinas;[38] y del matemático estadounidense Norbert Wiener, quien aplicó ideas de la teoría de la información y de procesos autorreguladores a los seres vivos en el campo de la cibernética,[39] descritas en su libro Cibernética o el control y comunicación en animales y máquinas, publicado en 1948. A continuación hubo muchos intentos notables de prender la vida en un ordenador. Uno de los primeros tuvo lugar en el Instituto de Estudios Avanzados de Princeton, Nueva Jersey, en 1953, cuando el italo-noruego Nils Aall Barricelli, un genetista de virus, llevó a cabo experimentos «con el objetivo de verificar la posibilidad de que en un universo creado artificialmente tenga lugar una evolución similar a la de los organismos vivos».[40] Informó de varios «biofenómenos», como el entrecruzamiento con éxito entre «organismos» progenitores, el papel del sexo en el cambio evolutivo y el papel de la cooperación en la evolución.[41]

El que quizá fuera el experimento de vida artificial más convincente tuvo lugar varias décadas más tarde, en 1990, cuando Thomas S. Ray, de la Universidad de Delaware, programó el primer intento impresionante de evolución darwiniana dentro de un ordenador, en el que organismos (segmentos de código de ordenador) luchaban para obtener memoria (espacio) y poder de procesador (energía) en el interior de una «reserva natural» acordonada dentro de la máquina. Para conseguirlo, Ray tenía que superar un obstáculo clave: los lenguajes de programación son «frágiles», en el sentido de que una única mutación (una línea, una letra o un punto en el lugar equivocado) hace que se detengan. Ray introdujo algunos cambios que hicieron mucho menos probable que las mutaciones pudieran desbaratar su programa. Siguieron otras versiones de evolución de ordenador, notablemente Avida,[42] un equipo lógico diseñado por un grupo de Caltech[*] a principios de la década de 1990 para estudiar la biología evolutiva de programas informáticos que se autorreplican. Los investigadores creían que con mayor potencia de cómputo podrían generar organismos más complejos: cuanto más rico sea el ambiente del ordenador, más rica podrá ser la vida artificial que podrá surgir y multiplicarse.

Incluso en la actualidad hay los que, como George Dyson, en su libro La catedral de Turing (2012), aducen que las hebras primitivas del código que se replicaba en el universo de Barricelli son los antepasados de las tiras de código de muchos megabytes que se replican en el universo digital de hoy en día, en la red mundial y más allá.[43] Dyson señala que en la actualidad hay un cosmos de código digital que se autorreproduce y que crece al ritmo de billones de bits por segundo, «un universo de números con vida propia».[44] Estos paisajes virtuales se expanden a una tasa exponencial y, como el mismo Dyson ha observado, están empezando a convertirse en el universo digital del ADN.

Pero estos pastos virtuales son, en realidad, relativamente yermos. En 1953, sólo seis meses después de que intentara crear evolución en un universo artificial, Barricelli había descubierto que había barreras importantes que superar en cualquier intento de generar vida artificial en el ordenador. Escribió que «falta alguna cosa si uno quiere explicar la formación de órganos y facultades tan complejas como las de los organismos vivos… No importa cuántas mutaciones hagamos, los números siempre seguirán siendo números. ¡Los números, por sí solos, no se convertirán nunca en organismos vivos!».[45]

La vida artificial, tal como se concibió originalmente, ha tenido una nueva vida virtual en la forma de juegos y películas, con el sanguinario Hal 9000 de 2001: una odisea del espacio, el genocida Skynet de los diversos filmes de Terminator, y las malvadas máquinas de The Matrix. Sin embargo, la realidad se encuentra todavía muy retrasada. En la vida artificial basada en los ordenadores no hay distinción entre la secuencia genética o genotipo del organismo fabricado y su fenotipo, la expresión física de dicha secuencia. En el caso de una célula viva, el código del ADN se expresa en forma de ARN, proteínas y células, que forman todas las sustancias físicas de la vida. A los sistemas artificiales pronto se les acaba el gas, porque las posibilidades genéticas en el interior de un modelo informático no son abiertas, sino que están predefinidas. A diferencia de lo que ocurre en el mundo biológico, el resultado de la evolución en un ordenador está establecido en su programación.

En ciencia, los campos de la química, la biología y la informática se han unido con éxito en mi propia disciplina, la genómica. Ahora, los ordenadores digitales diseñados por máquinas de ADN (humanos) se emplean para leer las instrucciones codificadas en el ADN, para analizarlas y para escribirlas de tal manera que puedan crearse nuevos tipos de máquinas de ADN (vida sintética). Cuando anunciamos nuestra creación de la primera célula sintética, algunos nos preguntaron si acaso «jugábamos a ser Dios». En el sentido restringido de que con este experimento habíamos demostrado que Dios no era necesario para la creación de nueva vida, supongo que lo hacíamos. Yo creía que con la creación de vida sintética a partir de sustancias químicas habíamos enterrado finalmente cualesquiera ideas que quedaran sobre el vitalismo, de una vez y por todas. Pero parece que yo había subestimado la medida en que la creencia en el vitalismo impregna todavía el pensamiento científico moderno. La creencia es el enemigo del progreso científico. La creencia en que las proteínas eran el material genético retrasó el descubrimiento del ADN como portador de información, quizá hasta en medio siglo.

Durante la segunda mitad del siglo XX llegamos a comprender que el ADN era el «código» de Schrödinger, desciframos su complejo mensaje y empezamos a comprender de manera precisa cómo guía los procesos de la vida. Esta épica aventura de descubrimiento habría de marcar el nacimiento de una nueva era de la ciencia, una era que se encuentra en el nexo de la biología y la tecnología.

3

Alba de la era digital de la biología

Si estamos en lo cierto, y desde luego esto no se ha demostrado todavía, entonces esto significa que los ácidos nucleicos no son simplemente importantes desde el punto de vista estructural, sino sustancias funcionalmente activas a la hora de determinar las actividades bioquímicas y las características específicas de las células, y que mediante una sustancia química conocida es posible inducir cambios predecibles y hereditarios en las células. Esto es algo que hace tiempo que ha sido el sueño de los genetistas.

OSWALD AVERY, en una carta a su hermano Roy, 1943[46]

En el mismo año en que Schrödinger impartió sus famosas conferencias en Dublín se descubrió finalmente la naturaleza química de su «código» y de toda la herencia, lo que proporcionó nuevos atisbos de un tema que ha obsesionado, fascinado, pasmado y confundido a nuestros antepasados desde el alba misma de la consciencia humana. Un gran guerrero tiene muchos hijos, pero ninguno tiene ni la corpulencia ni la inclinación por la batalla. Algunas familias se ven afectadas por un tipo concreto de enfermedad, pero ésta se transmite a lo largo de las generaciones de una manera aparentemente caprichosa, al afectar a unos descendientes pero no a otros. ¿Por qué determinados rasgos físicos de los padres y de parientes más alejados todavía aparecen o, quizá de manera más sorprendente, no aparecen en los individuos? Durante milenios, se han formulado las mismas preguntas, no sólo con referencia a nuestra propia especie, sino al ganado, las plantas cultivadas o no, los perros, etc.

Desde el nacimiento de la agricultura y de la domesticación de los animales, hace milenios, se han barruntado algunas cosas acerca de estos misterios. Aristóteles tenía una idea vaga de los principios fundamentales cuando escribió que el «concepto» de un pollo está implícito en el huevo de una gallina, que una bellota es «informada» por la disposición de una encina. En el siglo XVIII, como resultado del aumento del conocimiento de la diversidad de plantas y animales a la par que de su taxonomía, empezaron a aparecer nuevas ideas acerca de la herencia. El abuelo de Charles Darwin, Erasmus Darwin (1731-1802), una formidable fuerza intelectual en la Inglaterra del siglo XVIII, formuló una de las primeras teorías formales de la evolución en el primer volumen de Zoonomia; or the Laws of Organic Life[47] (1794-1796), en el que afirmaba que «todos los animales vivos han surgido de un filamento vivo». La genética clásica, tal como la conocemos, tiene su origen en las décadas de 1850 y 1860, cuando el fraile silesio Gregor Mendel (1822-1884) intentó establecer las leyes de la herencia que rigen la hibridación de las plantas. Pero sólo en los últimos setenta años los científicos han hecho el notable descubrimiento de que el «filamento» que Erasmus Darwin propuso es usado en realidad para programar a todos los organismos del planeta con ayuda de robots moleculares.

Hasta mediados del siglo pasado la mayoría de científicos creían que únicamente las proteínas llevaban información genética. Dado que la vida es tan compleja, se creía que el ADN, un polímero constituido por sólo cuatro unidades químicas, era de composición demasiado simple para transmitir los datos suficientes a la generación siguiente, y era simplemente una estructura de sostén para el material proteínico genético. Las proteínas están constituidas por veinte aminoácidos diferentes y tienen complejas estructuras primarias, secundarias, terciarias y cuaternarias, mientras que el ADN es una hebra de polímero. Sólo las proteínas parecían lo bastante complejas para funcionar como el «cristal aperiódico» de Schrödinger, capaz de portar toda la información que ha de transferirse de una célula a otra durante la división celular.

Esta actitud empezaría a cambiar en 1944, cuando se publicaron los detalles de un experimento bello y simple. El descubrimiento que el ADN, y no las proteínas, era el portador real de la información genética lo hizo Oswald Avery (1877-1955), en la Universidad Rockefeller, Nueva York. Al aislar una sustancia que pudiera transferir algunas de las propiedades de una cepa bacteriana a otra mediante un proceso llamado transformación, descubrió que el polímero ADN era en realidad lo que denominó el «factor transformador» que confería nuevas propiedades a las células.

Avery, que entonces tenía sesenta y cinco años y estaba a punto de jubilarse, junto con sus colegas Colin Munro MacLeod y Maclyn McCarty, habían continuado investigando una observación misteriosa que, casi dos décadas antes, había hecho el bacteriólogo Frederick Griffith (1879-1941) en Londres. Griffith había estudiado la bacteria neumococo (Streptococcus pneumoniae), que causa epidemias de neumonía y se presenta en dos formas diferentes: una forma R, que bajo el microscopio tiene aspecto rugoso y no es infecciosa, y una forma S, o lisa, que puede causar la enfermedad y la muerte. En pacientes con neumonía se encuentra tanto la forma R como la S.

Griffith se preguntó si las formas letal y benigna de las bacterias eran interconvertibles. Para dar respuesta a esta cuestión, diseñó un experimento ingenioso en el que inyectaba a ratones las células R no infecciosas junto con células S que había matado con calor. Cabía esperar que los ratones sobrevivieran, puesto que cuando se mataba la forma S y se la inyectaba a los ratones, los roedores vivían. Sin embargo, y de forma inesperada, los ratones murieron cuando la forma viva R, no virulenta, acompañaba a las células S muertas. Griffith obtuvo de los ratones muertos tanto células R como S. Razonó que alguna sustancia de las células S muertas por el calor se transfería a las células R para transformarlas en las del tipo S. Puesto que este cambio fue heredado por las generaciones subsiguientes de bacterias, se supuso que el factor era material genético. Denominó «transformación» a este proceso, aunque no tenía idea de la naturaleza exacta del «factor transformador».

La respuesta llegaría casi veinte años después, cuando Avery y sus colegas repitieron el experimento de Griffith y demostraron, mediante un proceso de eliminación, que el factor era el ADN. Habían eliminado progresivamente las proteínas, el ARN y el ADN empleando enzimas que digieren sólo cada componente individual de la célula: en este caso, proteasas, RNasas y DNasas, respectivamente.[48] Sin embargo, el impacto del artículo que escribieron al respecto no fue en absoluto instantáneo, porque la comunidad científica fue lenta a la hora de abandonar la creencia de que la complejidad de las proteínas era necesaria para explicar la genética. En Nobel Prizes and Life Sciences (2010), Erling Norrby, antiguo secretario general de la Real Academia Sueca de Ciencias, discute la renuencia a aceptar el descubrimiento de Avery, porque aunque el trabajo de su equipo era convincente, los escépticos razonaban que todavía existía la posibilidad de que cantidades minúsculas de alguna otra sustancia, quizá una proteína que resistiera a las proteasas, fuera responsable de la transformación.[49]

Se continuó dando grandes pasos en la comprensión de las proteínas, notablemente en 1949, cuando el inglés Frederick Sanger determinó la secuencia de aminoácidos en la hormona insulina, una hazaña notable que sería recompensada con el premio Nobel. Su trabajo demostró que las proteínas no eran combinaciones de sustancias muy relacionadas entre sí sin una estructura única, sino que de hecho eran una única sustancia química.[50] Sanger, por quien tengo un gran respeto, es sin duda uno de los mayores y expertos innovadores de la ciencia de todos los tiempos, debido a su énfasis en el desarrollo de nuevas técnicas.[51] («De las tres principales actividades implicadas en la investigación científica, pensar, hablar y hacer, prefiero con mucho la última, y probablemente soy mejor en ella. A la hora de pensar no tengo problemas, pero no soy muy bueno a la de hablar»).[52] Su enfoque produjo magníficos dividendos.

La idea de que los ácidos nucleicos poseen la clave de la herencia empezó a afianzarse gradualmente en los últimos años de la década de 1940 y los primeros de la de 1950, al realizarse con éxito otros experimentos de transformación; por ejemplo, se demostró que el ARN del virus del mosaico del tabaco era infeccioso por sí mismo. Aun así, el reconocimiento que el ADN era el material genético llegó lentamente. La verdadera importancia de los experimentos de Avery, MacLeod y McCarty sólo resultó clara a medida que los datos se acumularon a lo largo de la década siguiente. Un soporte clave llegó en 1952, cuando Alfred Hershey y Martha Cowles Chase demostraron que el ADN era el material genético de un virus conocido como bacteriófago T2, que puede infectar a bacterias.[53] El conocimiento que el ADN es el material genético recibió un gran impulso en 1953, cuando Watson y Crick revelaron su estructura mientras trabajaban en Cambridge, Inglaterra. Estudios previos habían establecido que el ADN está compuesto por elementos básicos llamados nucleótidos, que consisten en un azúcar, desoxirribosa, un grupo fosfato y cuatro bases nitrogenadas: adenina (A), timina (T), guanina (G) y citosina (C). Los fosfatos y azúcares de nucleótidos adyacentes se conectan para formar un largo polímero. Watson y Crick determinaron la manera en que estas piezas encajan en una elegante estructura tridimensional.

Para conseguir su descubrimiento habían empleado datos fundamentales de otros científicos. De Erwin Chargaff, un bioquímico, supieron que las cuatro bases químicas diferentes en el ADN se encuentran en pares, un hallazgo fundamental cuando llegó el momento de entender los «travesaños» a lo largo de la escala de la vida. (Una parte de la colección de Historia de la Ciencia en mi J. Craig Venter Institute, institución sin ánimo de lucro, es el cuaderno de notas de Crick de esta época, que registra sus intentos infructuosos de repetir el experimento de Chargaff). De Maurice Wilkins, que había impresionado primero a Watson con sus estudios pioneros del ADN mediante rayos X, y Rosalind Franklin obtuvieron la clave de la solución. Era Wilkins quien había mostrado a Watson las mejores fotografías de rayos X del ADN de Franklin. La fotografía número veintiuno (que también forma parte de la colección del Venter Institute), tomada por Raymond Gosling en mayo de 1952, revelaba una cruz negra de reflejos y supondría la clave para decubrir la estructura molecular del ADN, que resultó ser una doble hélice, en la que las letras del código del ADN correspondían a los travesaños.[54]

El artículo de Watson y Crick, «Estructura molecular de los ácidos nucleicos: una estructura para el ácido nucleico de la desoxirribosa»,[55] se publicó el 5 de abril de 1953 en Nature. La estructura helicoidal del ADN supuso una epifanía, «mucho más hermosa de lo que nunca habíamos anticipado», explicaba Watson, porque la naturaleza complementaria de las letras, los nucleótidos componentes, del ADN (la letra «A» siempre se empareja con la «T», y la «C» con la «G»), reveló de forma instantánea de qué manera se copian los genes cuando las células se dividen. Aunque este era el mecanismo de la herencia, que hacía mucho tiempo que se buscaba, la respuesta al artículo de Watson y Crick no fue ni mucho menos instantánea. Pero al final llegó el reconocimiento, y nueve años después, Watson, Crick y Wilkins compartirían el premio Nobel de Fisiología o Medicina «por sus descubrimientos relacionados con la estructura molecular de los ácidos nucleicos y su importancia para la transferencia de información en la materia viva».

Sin embargo, los dos científicos que proporcionaron los datos no se incluyeron en el premio: Erwin Chargaff quedó amargado,[56] y Rosalind Franklin había muerto en 1958, de cáncer de ovario. Aunque Oswald Avery había sido nominado varias veces para el premio Nobel, murió en 1955, antes de que la aceptación de sus logros fuera suficiente para que se le concediera. Erling Norrby cita a Göran Liljestrand, secretario del Comité Nobel del Instituto Karolinska, a partir del resumen de 1970 de los premios Nobel en Fisiología o Medicina: «El descubrimiento de Avery en 1944 de que el ADN era el portador de la herencia representa uno de los logros más importantes de la genética, y hay que lamentar que no recibiera el premio Nobel. Para cuando las voces disidentes se habían silenciado, ya había fallecido».[57]

La historia de Avery demuestra que, incluso en el laboratorio, donde debería prevalecer la visión racional, basada en la evidencia, de la ciencia, la creencia de una teoría o hipótesis concreta puede cegar a los científicos durante años o incluso décadas. Los experimentos de Avery, MacLeod y McCarty eran tan sencillos y tan elegantes que podrían haberse replicado fácilmente; sigue siendo un misterio para mí por qué esto no se hizo antes. Lo que distingue la ciencia de otros campos del esfuerzo humano es que las ideas antiguas caen cuando se acumulan datos suficientes que las contradicen. Pero, lamentablemente, este proceso toma su tiempo.

La vida celular depende en realidad de dos tipos de ácido nucleico: el ácido desoxirribonucleico, ADN, y el ácido ribonucleico, ARN. La teoría actual es que la vida se inició en un mundo de ARN, porque es más versátil que el ADN. El ARN tiene un papel dual, como portador de información y como un enzima (ribozima), que es capaz de catalizar reacciones químicas. Al igual que el ADN, el ARN consiste en una hebra lineal de letras químicas. Las letras están representadas por «A», «C», «G», y o bien «T» en el ADN o bien «U»[*] en el ARN. «C» siempre se enlaza con «G»; A se une a «T» o a «U». Al igual que el ADN, una hebra de ARN puede unirse a otra hebra compuesta por letras complementarias. Watson y Crick propusieron que el ARN es una copia del mensaje del ADN en los cromosomas y que lleva dicho mensaje a los ribosomas, donde se fabrican las proteínas. El programa del ADN se «transcribe», o se copia, en la forma de una molécula de ARN mensajero (mARN). En el citoplasma, el código del mARN se «traduce» en proteínas.

Hasta la década de 1960 no se reconoció de manera general que el ADN era «el» material genético, pero haría falta el trabajo de Marshall Warren Nirenberg (1927-2010), en los Institutos Nacionales de Salud,[**] Bethesda, Maryland, y de Har Gobind Khorana (1922-2011), de origen indio, en la Universidad de Wisconsin, Madison, para descifrar realmente el código genético mediante el uso de ácidos nucleicos sintéticos. Descubrieron que el ADN usa sus cuatro bases diferentes en conjuntos de tres (llamados codones) para codificar cada uno de los veinte aminoácidos diferentes que las células usan para producir proteínas. Por lo tanto, este código triplete posee sesenta y cuatro codones posibles, algunos de los cuales sirven como puntuación (codones de terminación) para señalar el final de una secuencia proteínica. Robert W. Holley (1922-1993), de Cornell, dilucidó la estructura de otra especie de ARN, el llamado ARN de transferencia (tARN), que transporta los aminoácidos especificados a la espectacular máquina molecular denominada ribosoma, donde son ensamblados en proteínas. Por estos esclarecedores estudios, Nirenberg, Khorana y Holley compartieron el premio Nobel en 1968.

Tuve el privilegio de encontrarme con los tres en varias ocasiones, pero llegué a conocer particularmente bien a Marshall Nirenberg cuando yo trabaja en los Institutos Nacionales de Salud. El laboratorio y el despacho de Nirenberg se hallaban en el piso debajo del mío, en el Edificio 36 del extenso campus de los NIH, y lo visitaba con frecuencia durante mis primeros días de secuenciación y genómica del ADN. Nirenberg era un hombre genial, profundamente interesado en todas las áreas de la ciencia, y siempre apasionado por la nueva tecnología, hasta el mismo momento de su muerte. Se recordará su descubrimiento con Khorana del código genético como uno de los más importantes de todas las biociencias, pues explicaba de qué manera el polímero lineal que es el ADN codifica la secuencia lineal de polipéptidos de las proteínas. Este es el principio nuclear del «dogma central» de la biología molecular: la información viaja desde el ácido nucleico a las proteínas.

La década de 1960 fue el inicio de la revolución de la biología molecular debido en parte a la capacidad de acoplar o empalmar ADN mediante el uso de enzimas de restricción. Los enzimas de restricción fueron descubiertos de manera independiente por Werner Arber, en Ginebra, y Hamilton O. Smith, que trabajaba en Baltimore. «Ham» Smith, amigo y colaborador mío desde hace mucho tiempo, publicó dos artículos importantes en 1970 en los que describía un enzima de restricción aislado de la bacteria Haemophilus influenzae. Uno de los mecanismos clave utilizados por las bacterias para protegerse de ADN ajeno son enzimas que pueden desmenuzar rápidamente el ADN de otras especies que han penetrado en la célula, cortando siempre sus hebras en una secuencia concreta y definida de código, y no otra. Daniel Nathans trabajaba con Smith en Baltimore para iniciar la aplicación de enzimas de restricción a la identificación y el mapeado genético. Los enzimas permiten a los científicos manipular el ADN de la misma manera en que se usa un procesador de textos para cortar y pegar texto. La capacidad para cortar material genético de forma precisa en lugares conocidos es la base de toda la ingeniería genética y de la identificación mediante el análisis del ADN. Este último ha revolucionado la ciencia forense y la identificación de criminales a partir del ADN que queda en los escenarios del crimen, en forma de huellas, pelo, piel, semen y saliva, por ejemplo. Smith, Nathans y Arber compartirían el premio Nobel en 1978 por sus descubrimientos; sin ellos, quizá el campo de la ingeniería molecular no existiría.

La década de 1970 supuso el comienzo de la revolución del acoplamiento o empalme de genes, un proceso que potencialmente era tan revolucionario como el nacimiento de la agricultura en la era neolítica. Cuando el ADN de un organismo se introduce artificialmente en el genoma de otro y después se replica y es usado por este otro organismo, se habla de ADN recombinante. La invención de esta tecnología fue en gran parte obra de Paul Berg, Herbert Boyer y Stanley Norman Cohen. Cuando trabajaba en Stanford, Berg empezó a preguntarse si sería posible insertar genes ajenos en un virus, con lo que se crearía un «vector» que podría usarse para transportar genes a nuevas células. Su experimento fundamental de 1971 implicaba empalmar un segmento del ADN de un virus bacteriano, conocido como lambda, en el ADN del virus de un mono, SV40.[58]

Berg compartiría el premio Nobel de 1980 por su trabajo, pero no daría el siguiente paso de introducir ADN recombinante en animales. El primer mamífero transgénico lo crearon en 1974 Rudolf Jaenisch y Beatrice Mintz, que insertaron ADN ajeno en embriones de ratón.[59] Debido al creciente malestar público acerca de los peligros potenciales de una tal experimentación, Berg desempeñó un papel activo a la hora de debatir hasta qué punto dichos estudios deberían ser restringidos y limitados. En 1974, un grupo de científicos americanos recomendó una moratoria en estas investigaciones. Se establecieron pautas voluntarias en una reunión muy influyente que Berg organizó al año siguiente en las áreas de conferencias de Asilomar, en Pacific Grove, California. El temor que algunos tenían era que los organismos recombinantes pudieran tener consecuencias inesperadas, como producir enfermedad o muerte, y que pudieran escaparse del laboratorio y extenderse. Esta preocupación quedaba equilibrada por los argumentos que apoyaban el potencial de la ingeniería genética, notablemente los de Joshua Lederberg, un profesor de Stanford y premio Nobel.[60] En 1976, los Institutos Nacionales de Salud promulgaron sus propias pautas para la conducta segura en la investigación del ADN recombinante, cuyas repercusiones todavía se notan en los debates actuales sobre plantas de cultivo genéticamente modificadas y la discusión más reciente acerca del buen y el mal uso de la investigación sobre la genética de la gripe.

Después del experimento en 1971 de Berg sobre acoplamiento de genes, el siguiente avance en clonación molecular fue la inserción de ADN de una especie de bacteria en otra, donde se replicaría cada vez que la bacteria se dividiera. Este paso lo dio Boyer en 1972, en la Universidad de California en San Francisco, trabajando con Cohen, de la Universidad de Stanford. Su investigación, en la que el ADN de Staphylococcus se propagó en Escherichia coli, estableció que realmente se podían transferir materiales genéticos entre especies, con lo que se refutaba una idea que hacía tiempo que se tenía. Un triunfo todavía mayor de clonación interespecífica supuso la inserción en E. coli de genes de la rana de uñas surafricana, Xenopus, un animal de experimentación favorito. A pesar del malestar público, se crearon rápidamente varias compañías para explotar la tecnología del ADN recombinante.

En primera línea de la revolución biotecnológica se hallaba la compañía Genentech, fundada en 1976 por Boyer y el capitalista de riesgo Robert A. Swanson. Al año siguiente, antes de que Genentech se hubiera siquiera trasladado a sus propias instalaciones, Boyer y Keiichi Itakura, en el centro médico City of Hope, de Duarte, California, trabajando con Arthur Riggs, habían usado tecnología de ADN recombinante para producir una proteína humana llamada somatostatina (que desempeña un papel importante en la regulación de la hormona del crecimiento) en E. coli. Después de este logro se dedicaron a la molécula de insulina, más complicada, para la que existía un enorme mercado potencial en la sustitución de la insulina de cerdo que entonces se empleaba para el tratamiento de la diabetes. Eli Lilly and Company firmaron un acuerdo de riesgo compartido con Genentech para desarrollar el proceso de producción, y en 1982 la proteína insulina recombinante, bajo el nombre registrado de Humulin, se convirtió en el primer producto biotecnológico que apareció en el mercado. Para entonces Genentech ya tenía muchos rivales, entre ellos diversas pequeñas empresas emergentes respaldadas por las principales compañías farmacéuticas.

La biología molecular ha crecido de manera explosiva desde estos primeros descubrimientos hasta ser un campo que ahora se practica en todas las universidades de todo el mundo, y es la base de un negocio multimillonario de fabricación de equipos, ensayos y reactivos, e instrumentos científicos. Se han clonado o se clonan genes de casi todas las especies, de bacterias, levaduras, plantas y mamíferos, y se estudian de manera cotidiana. En los laboratorios de investigación y en las compañías biotecnológicas se alteran rutas metabólicas para inducir a las células a que generen productos que van de los farmacéuticos a alimentos, y de sustancias químicas industriales a moléculas energéticas.

En paralelo a esta explosión en la comprensión del equipo lógico de la vida que es el ADN ha habido un avance sustancial en la descripción del equipo físico de la vida que son las proteínas. Las proteínas son los elementos básicos de la célula, las unidades estructurales fundamentales de todas las entidades vivas conocidas, desde una bacteria única a los cien billones de células que constituyen el cuerpo humano. Como se mencionó anteriormente, el mundo de la célula lo reveló por primera vez Robert Hooke, al que algunos llaman el Leonardo da Vinci de Inglaterra. Hooke fue el primer gran personaje inglés que demostró que el método experimental, mediante el uso de instrumentos, funciona realmente y produce conocimiento progresivo. En su magistral Micrographia[61] (1665) Hooke describió células (término que procede del latín cellula, una celda pequeña), después de haber visto bajo su microscopio la estructura en panal de un corcho cortado. Todas y cada una de las entidades vivas de la Tierra poseen una estructura celular básica, rodeada por una membrana que crea un volumen interior aislado. Dicho interior contiene el material genético y la maquinaria celular para su replicación.

En las dos primeras décadas del siglo XX, el esfuerzo para identificar la base molecular de este equipo físico por el campo de la microbiología estuvo dominado por lo que se llamaba la «teoría coloidal». En aquella época, no había pruebas tajantes de la existencia de moléculas grandes, y los «biocoloidistas» aducían que anticuerpos, enzimas y otras sustancias parecidas consistían en realidad en coloides, mezclas de composiciones diversas de moléculas pequeñas.[62] Ponían el énfasis no en moléculas orgánicas gigantes que se mantenían unidas por fuertes enlaces covalentes, sino en agregados de moléculas pequeñas que se mantenían unidas mediante enlaces relativamente débiles. Sin embargo, durante los primeros años de la década de 1920, esta idea fue puesta en tela de juicio por el químico orgánico alemán Hermann Staudinger (1881-1965), quien demostró que las moléculas grandes, como el almidón, la celulosa y las proteínas, son en realidad largas cadenas de unidades moleculares cortas que se repiten y que están unidas mediante enlaces covalentes. Sin embargo, la idea de Staudinger de lo que él denominaba Makromoleküle («macromoléculas») encontró al principio una oposición casi universal. La teoría macromolecular fue rechazada incluso por los colegas de Staudinger en la Eidgenössische Technische Hochscule (ETH),[*] de Zúrich, donde era profesor hasta que se trasladó a Friburgo, en 1926. No fue hasta 1953 (el año del descubrimiento de la doble hélice) cuando se concedió finalmente a Staudinger el premio Nobel por su importante contribución.

En años recientes hemos acabado por considerar que esta unidad básica de la vida, la célula, es como una fábrica, una serie entrelazada de líneas de montaje que son accionadas por máquinas proteínicas[63] que han evolucionado a lo largo de miles, millones o incluso miles de millones de años para desempeñar tareas específicas. Este modelo señala el resurgimiento de una idea que era común en el siglo XVII, notablemente debido a los esfuerzos de Marcello Malpighi (1628-1694), un médico italiano que realizó estudios pioneros con microscopios.[64] Malpighi propuso que minúsculas «máquinas orgánicas» controlaban las funciones corporales.

En la actualidad sabemos que hay muchas clases bien caracterizadas de proteínas. Las catalizadoras, por ejemplo, aceleran una serie asombrosa de reacciones químicas, mientras que las proteínas fibrosas, como el colágeno, son un elemento estructural importante, que suponen la cuarta parte de todas las proteínas que se encuentran en los vertebrados, es decir, los animales con columna vertebral, como los mamíferos. La elastina, que parece caucho, es la base del tejido de los pulmones y de las paredes arteriales. Las membranas que rodean nuestras células contienen proteínas que ayudan a hacer entrar moléculas en su interior y salir de éste, y están implicadas en la comunicación celular; las proteínas globulares unen, transforman y liberan sustancias químicas. Y así sucesivamente.

La secuencia del ADN codifica directamente la estructura de cada proteína, lo que determina su actividad. El código genético define la secuencia lineal de los aminoácidos, que a su vez determinan la compleja estructura tridimensional de la proteína final. Después de la síntesis, esta secuencia lineal de polipéptidos se pliega en la forma característica propia: algunas partes forman láminas, mientras que otras se amontonan, forman lazadas, se rizan y retuercen en espirales (hélices) y otras configuraciones complicadas que definen el funcionamiento de la máquina. Algunas partes de la máquina proteínica se doblan, mientras que otras son rígidas. Algunas proteínas son subconjuntos, partes de una máquina proteínica tridimensional mayor.

Consideremos la ATP sintasa como un ejemplo notable, y energético, de máquina molecular. Este enzima, unas doscientas mil veces más pequeño que la cabeza de una aguja, está formado por treinta y una proteínas y, mientras gira unas sesenta veces por segundo, es capaz de crear la moneda energética de las células, una molécula llamada adenosín trifosfato, o ATP. No podríamos movernos, pensar ni respirar sin esta máquina. Otras proteínas son motores, como la dineína, que permite que los espermatozoides serpenteen; la miosina, que mueve los músculos, y la quinesina, que «anda» sobre un par de pies (cuando el combustible que es el ATP se acopla, un pie da media vuelta y aletea antes de afirmarse para dar el paso siguiente) y posee una cola para transportar carga por las células. Algunos de estos robots de transporte están adaptados para llevar sólo un tipo de carga; entre ellos está la hemoglobina, que está compuesta por cuatro cadenas de proteína, cada una de las cuales posee un grupo hemo anular que tiene un átomo de hierro en su centro para acarrear oxígeno por todo el cuerpo. Usualmente, el hierro se fijaría fuertemente al oxígeno, pero esta máquina ha evolucionado para asegurar que la molécula de oxígeno se una de forma reversible a los cuatro lugares hemo de cada molécula de hemoglobina.

El pigmento que absorbe la luz es el secreto de una de las máquinas más importantes de todas, la que hace funcionar la economía viva de los océanos y de la superficie del planeta. Aunque las diferentes especies de plantas, algas y bacterias han desarrollado por evolución diferentes mecanismos para captar la energía luminosa, todas comparten una característica molecular conocida como centro de reacción fotosintético. Allí se encuentran proteínas antena, que están constituidas por múltiples pigmentos clorofílicos que absorben la luz. Captan la luz solar en la forma de partículas de luz llamadas fotones, y después transfieren su energía a través de una serie de moléculas hasta el centro de reacción, donde se la utiliza con gran eficiencia para convertir el dióxido de carbono en azúcares. Los procesos fotosintéticos tienen lugar en espacios tan atestados de moléculas de pigmento que entran en juego efectos de mecánica cuántica.[65] (La rama de la física que más vueltas hace dar a la cabeza, la mecánica cuántica, que establecieron Erwin Schrödinger y muchos otros, trata de fenómenos a escalas microscópicas). Esta es una de diversas máquinas cuánticas que los seres vivos emplean en la visión, el efecto túnel de electrones y protones, el sentido olfativo y la magnetorrecepción.[66] Este extraordinario descubrimiento es otro testimonio de las intuiciones de Schrödinger, que también había considerado la posibilidad de que las fluctuaciones cuánticas tuvieran un papel en la biología.[67]

Cada máquina molecular ha evolucionado para realizar una tarea muy específica, desde registrar imágenes visuales a flexionar músculos, y para hacerlo de manera automática. Esta es la razón por la que se puede pensar en ellas como pequeños robots. Como Charles Tanford y Jacqueline Reynolds escribieron en Nature’s Robots (2001), «no tiene consciencia; no tiene un control procedente de la mente o de un centro superior. Todo lo que una proteína hace está integrado en su código lineal, derivado del código del ADN».

El descubrimiento más importante en biología molecular, después del código genético, fue determinar los detalles del robot maestro, el ribosoma, que realiza la síntesis de proteínas y de esta manera dirige la producción de todos los demás robots celulares. Los biólogos moleculares saben desde hace décadas que el ribosoma se encuentra en el foco de la coreografía de la fabricación de proteínas. Para funcionar, el ribosoma necesita dos cosas: una molécula de ARN mensajero (mARN), que haya copiado las instrucciones para producir una proteína del almacén de información genética del ADN de la célula; y ARN de transferencia (tARN), que lleva a cuestas los aminoácidos usados para fabricar la proteína. El ribosoma lee la secuencia del mARN, un codón cada vez, y lo empareja con el anticodón de cada tARN, alineando su carga de aminoácidos en el orden adecuado. El ribosoma actúa también como un catalizador, una ribozima, y fusiona los aminoácidos con un enlace químico covalente para añadirlos a la cadena de proteína que va creciendo. La síntesis termina cuando la secuencia de ARN codifica un «alto», y el polímero de aminoácidos ha de plegarse entonces en su estructura tridimensional necesaria para ser una proteína biológicamente activa.

Las células bacterianas contienen hasta mil complejos ribosómicos, que permiten la síntesis continua de proteínas, tanto para sustituir a las proteínas degradadas como para hacer otras nuevas para las células hijas durante la división celular. Se puede estudiar un ribosoma bajo un microscopio electrónico y observar cómo se dobla y se deforma mientras trabaja. En un punto clave en el proceso de síntesis de proteínas hay una rotación como de trinquete en su interior.[68] En su conjunto, la síntesis de proteínas es muy rápida, y sólo se necesitan segundos para producir cadenas de unos cien aminoácidos.

Al igual que ocurrió con la doble hélice, fue necesaria la cristalografía de rayos X para revelar la estructura detallada del ribosoma. Sin embargo, primero alguien tuvo que hacer que el ribosoma cristalizara (como la sal de una solución cristaliza cuando el agua se evapora) para dejar cristales bien organizados con millones de ribosomas reunidos en patrones regulares que pudieran estudiarse con rayos X. Un avance clave llegó en la década de 1980, cuando Ada E. Yonath, en Israel, colaboró con Heinz-Günther Wittmann, en Berlín, para hacer crecer cristales a partir de ribosomas bacterianos, aislados de microorganismos procedentes de fuentes termales y del mar Muerto. Los secretos del ribosoma bacteriano se revelaron en 2005, y un equipo francés publicó la estructura en alta resolución (tres angstroms) de un ribosoma eucariota (el de la levadura) en diciembre de 2011.[69]

El ribosoma bacteriano tiene dos componentes principales, denominados subunidades 30S y 50S, que se separan y vuelven a unirse durante su operación. La subunidad pequeña, 30S, es la parte del ribosoma que lee el código genético; la subunidad mayor, 50S, es donde se producen las proteínas. La unidad 30S fue estudiada en detalle atómico por Yonath, e independientemente por Venkatraman Ramakrishnan, en el Laboratorio de Biología Molecular del Consejo de Investigación Médica, en Cambridge, Inglaterra. Descubrieron, por ejemplo, un «sitio aceptor», la parte de la subunidad 30S que reconoce y supervisa la exactitud del emparejamiento entre los ARN mensajero y de transferencia. Los detalles de la estructura molecular revelan de qué manera el ribosoma impone el emparejamiento de las dos primeras letras del código del ARN: las moléculas se desplazan para «notar» un surco en la doble hélice de los ARN bien emparejados para asegurarse que el código se lee con gran fidelidad. Un «bamboleo» hace que este mecanismo sea menos riguroso a la hora de comprobar la tercera letra del grupo de tres que corresponde a un bloque de la proteína. Esto es consistente con la observación de que un único ARN de transferencia (y por lo tanto su aminoácido) puede emparejarse con más de un código de tres letras en el ARN mensajero. Por ejemplo, los códigos de tres letras para el aminoácido L-fenilalanina son UUU y UUC.

En un trabajo complementario, Harry F. Noller, de la Universidad de California, en Santa Cruz (que empezó su investigación fascinado por la manera en que las moléculas se movían), publicó las primeras imágenes detalladas de un ribosoma completo en 1999, y después con un detalle mucho más fino en 2001. Su trabajo reveló cómo se forman y caen los puentes moleculares durante su operación.[70] La máquina que es el ribosoma contiene muelles de compresión y torsión hechos de ARN para mantener a las subunidades apersogadas y juntas mientras cambian y giran unas con respecto a las otras. Su subunidad menor se desplaza a lo largo del ARN mensajero y se une asimismo al ARN de transferencia, que conecta el código genético en un extremo con los aminoácidos en el otro. Los aminoácidos son unidos para formar proteínas por la subunidad mayor, que también se enlaza con el ARN de transferencia. De esta manera, el ribosoma puede hacer pasar los ARN cargados de aminoácidos a través de su centro a un ritmo de quince por segundo y coordina de qué manera se unen a la proteína en crecimiento.

Muchos antibióticos desbaratan estas funciones de los ribosomas bacterianos. Por suerte, aunque los ribosomas bacterianos y humanos son parecidos, son lo bastante distintos para que los antibióticos se unan a los ribosomas bacterianos y los bloqueen con más efectividad de lo que pueden hacerlo con los ribosomas humanos. Los aminoglicósidos tetraciclina, cloranfenicol y eritromicina operan para matar las células bacterianas al interferir con la función ribosómica.

Yonath, Ramakrishnan y Thomas A. Steitz compartirían el premio Nobel de Química de 2009 por sus esfuerzos para revelar el mecanismo de esta máquina maravillosa.

A medida que el campo de la genómica ha avanzado, el ARN ha cobrado mayor importancia. Según el dogma central, el ARN funcionaba como un mero intermediario, que transportaba las órdenes codificadas en el ADN. En este modelo, la doble hélice del ADN se desenrolla, y su código genético es copiado en un mARN de una sola hebra. A su vez, el mARN transfiere el código del genoma a los ribosomas. También se creía de manera general que el ADN que no codificaba proteínas era «ADN basura». Ambas percepciones cambiaron en 1998, cuando Andrew Fire, de la Institución Carnegie para la Ciencia, en Washington, D. C., Craig Cameron Mello, de la Universidad de Massachusetts, y sus colegas publicaron pruebas de que el ARN de doble hebra producido a partir de ADN que no codifica puede usarse para desactivar genes específicos, lo que contribuyó a explicar algunas observaciones enigmáticas, notablemente en las petunias.[71] Ahora ha resultado evidente que hay ADN que codifica pequeñas moléculas de ARN que, como interruptores, desempeñan un papel clave en cómo y hasta qué punto son utilizados los genes. Toda la información de una célula viva reside en último término en el orden preciso de los ácidos nucleicos y los aminoácidos: en el ADN, el ARN y las proteínas. El proceso de mantener este extraordinario grado de orden en un genoma está limitado por las leyes sagradas de la termodinámica. Hay que quemar energía química para permitir que las máquinas moleculares aprovechen el movimiento térmico. La célula también necesita una entrada constante de esta energía para formar enlaces covalentes entre las subunidades así como para organizar dichas subunidades en el orden, o secuencia, correcto. En el meollo de esta tormenta de tumulto químico hay un conjunto de instrucciones relativamente muy estables, las que contiene el código del ADN.

Cuando discutía el código genético de la herencia, Schrödinger tenía buenas razones para imaginar un «cristal aperiódico»: quería destacar el hecho de que la información hereditaria se almacena, y empleó el término cristal para «explicar la permanencia del gen». No es este el caso para los robots proteínicos que están codificados en nuestros genes, que son inestables y se descomponen rápidamente. Con raras excepciones, las proteínas tienen un tiempo de vida que dura desde cosa de segundos hasta algunos días. Tienen que soportar el tumulto del interior de la célula, donde la energía térmica envía moléculas que rebotan por todas partes. Las proteínas pueden asimismo plegarse erróneamente, dando agregados inactivos y a menudo tóxicos, un proceso que está en la base de algunas enfermedades bien conocidas.

En un momento dado, una célula humana contiene típicamente miles de proteínas distintas, algunas de las cuales se hallan en el proceso de fabricación y otras que se desechan si es necesario para el bienestar continuo de la célula. Un estudio reciente de cien proteínas de las células cancerosas humanas[72] reveló que la vida media de las proteínas oscilaba entre cuarenta y cinco minutos y veintidós horas y media. Las células también se renuevan. Cada día, en un individuo humano mueren quinientos mil millones de células sanguíneas. Se calcula asimismo que la mitad de nuestras células mueren durante el desarrollo normal de los órganos. Cada día mudamos unos quinientos millones de células dérmicas. Como resultado, mudamos toda la capa externa de nuestra piel cada dos a cuatro semanas. Este es el polvo que se acumula en nuestra casa: somos nosotros. Si no sintetizamos constantemente nuevas proteínas y células, morimos. La vida es un proceso de renovación dinámica. Sin nuestro ADN, sin el equipo lógico de la vida, las células perecen muy rápidamente, y lo mismo hace el organismo.

El que las cadenas lineales de aminoácidos definidos por el código genético se plieguen en las formas adecuadas para realizar sus funciones concretas parece, a primera vista, poco menos que milagroso. Aún no se comprenden todas las reglas que guían el plegamiento de las proteínas, lo que no es sorprendente, dado que hay de millones a billones de posibles configuraciones de plegamiento para una cadena típica de aminoácidos, o polipéptido. Con el fin de calcular todas las conformaciones posibles de una proteína hasta un estado estable predicho desde el punto de vista termodinámico, el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, de California, unió fuerzas con IBM para producir Blue Gene, una línea de superordenadores que pueden realizar del orden de un billón de operaciones de coma flotante por segundo (es decir, un petaFLOPS).[*]

Una proteína con cien aminoácidos puede plegarse de muchísimas maneras, pues el número de estructuras alternas va de las 2¹⁰⁰ a las 10¹⁰⁰ conformaciones posibles. Para que cada proteína ensayara cada conformación posible se requeriría del orden de diez mil millones de años. Pero integradas en el código lineal de la proteína hay las instrucciones de plegamiento, que a su vez están determinadas por el código genético lineal. Como resultado, con ayuda del movimiento browniano, el incesante movimiento molecular causado por la energía térmica, estos procesos se producen muy rápidamente: en unas pocas milésimas de segundo. Están impulsados por el hecho de que una proteína plegada correctamente tiene la menor energía libre posible, de modo que, como el agua que fluye hasta el punto más bajo, la proteína consigue su forma conveniente de manera natural.

La conformación de plegamiento correcto que asegura que el enzima pueda funcionar adecuadamente implica pasar de un elevado grado de entropía y energía libre al estado termodinámicamente estable de menor entropía y menor energía libre. Este proceso puede verse realmente para una proteína denominada vilina, gracias a una simulación informática.[73] La simulación, que extiende la acción de seis millonésimas de segundo a varios segundos, muestra cómo la energía térmica hace que la cadena lineal inicial de ochenta y siete aminoácidos se contonee; la proteína lineal tiembla de una manera y de otra y, a lo largo de sólo seis microsegundos, pasa por varias conformaciones diferentes en su camino hacia el plegamiento final. Imagínese cuánta selección evolutiva dio como resultado esta danza de contoneo, dado que la secuencia de aminoácidos de la proteína determina no sólo su tasa de plegamiento, sino su estructura final y, con ello, su función.

La competencia entre plegamientos productivos de la proteína y versiones potencialmente dañinas condujeron a la evolución temprana del «control de calidad» celular de las proteínas, en forma de otro grupo de máquinas moleculares especializadas. Estas «chaperonas moleculares» colaboran en el plegamiento de la proteína y bloquean la formación de agregados nocivos, y también desmantelan aquellos agregados que se forman. Así, por ejemplo, las chaperonas Hsp70 y Hsp100 desmontan agregados, mientras que la Hsp60 está constituida por varias proteínas que forman una especie de barril con una tapadera, de modo que, cuando se halla dentro, una proteína desplegada puede lograr la forma correcta. No resulta sorprendente que el funcionamiento defectuoso de las chaperonas esté en el origen de una serie de enfermedades degenerativas y cánceres.

La enfermedad hereditaria de un solo gen más común en los individuos caucásicos, y que afecta alrededor de un nacido de cada 3500 en Estados Unidos, es la fibrosis quística, ejemplo de una proteína que se pliega mal y funciona mal. Es causada por un defecto en el gen que codifica una proteína llamada reguladora de la conductancia transmembrana de la fibrosis quística (CFTR). Dicha proteína regula el transporte del ión cloruro a través de la membrana celular; cuando es defectuoso, aparece una amplia gama de síntomas. Como ejemplo, el desequilibrio de sal y agua en pacientes con fibrosis quística hace que sus pulmones se obstruyan con mucus pegajoso, que proporciona una matriz de crecimiento para bacterias que causan enfermedades. Las lesiones pulmonares producidas por infecciones repetidas es la causa principal de muerte en las personas con esta enfermedad. Recientemente, unos científicos han demostrado[74] que, con mucho, la mutación más común que es la causante de la fibrosis quística impide la disociación de la proteína reguladora del transporte de una de sus chaperonas. Como resultado, en el plegamiento normal no pueden darse los pasos finales, y no se producen las cantidades normales de la proteína activa.

La degradación de los agregados y de los fragmentos de proteína es de vital importancia, porque pueden formar acúmulos, o placas, que son muy tóxicos. Cuando la eliminación de basura se paraliza como resultado de una huelga, y los residuos malolientes se acumulan en las calles, el tráfico se hace más lento y el riesgo de enfermedades aumenta, y una ciudad pierde rápidamente su funcionalidad. Lo mismo ocurre con células y órganos. La enfermedad de Alzheimer, el temblor de la de Parkinson y la implacable decadencia causada por la enfermedad de Creuzfeldt-Jakob (la forma humana de la enfermedad de las vacas locas) son todos ellos el resultado de la acumulación de agregados proteínicos insolubles y tóxicos.

Varias máquinas proteínicas están diseñadas para habérselas con errores en la síntesis y el plegamiento de las proteínas. El proteosoma[*] es responsable de la eliminación de proteínas anormales mediante proteólisis, una reacción que rompe los enlaces de los péptidos que realizan enzimas llamados proteasas. Esta máquina concreta consta de un complejo cilíndrico que contiene un «núcleo» de cuatro anillos, apilados como rosquillas, cada uno de ellos constituido por siete proteínas. Dentro del núcleo central, las proteínas objetivo son marcadas para su degradación con moléculas de ubiquitinas, pequeñas proteínas que están presentes en toda la célula. Hace unas tres décadas, este mecanismo celular de eliminación de residuos fue dilucidado por tres científicos, Aaron Ciechanover, Avram Hershko e Irwin A. Rose, por lo cual obtuvieron el premio Nobel de Química de 2004.

La duración de la vida de cada robot proteínico en la célula está preprogramada en el código genético. El efecto de este programa varía ligeramente según la rama de la vida. Por ejemplo, tanto E. coli como las células de levadura contienen el enzima beta-galactosidasa, que contribuye a la degradación de azúcares complejos; sin embargo, la vida media de este enzima depende mucho del aminoácido que hay al final de la proteína (el aminoácido N-terminal). Cuando el aminoácido N-terminal en la beta-galactosidasa es arginina, lisina o triptófano, la vida media de la proteína es de 120 segundos en E. coli y de 180 segundos en la levadura. Cuando el aminoácido N-terminal es serina, valina o metionina, hay una extensión importante de la vida media, hasta más de diez horas en E. coli y más de treinta horas en la levadura. Esta es la llamada ruta de la regla del extremo N de la degradación de las proteínas.[75]

La inestabilidad y la renovación de las proteínas ilustran que la vida celular sería muy corta si las células fueran sólo sacos de membrana (vesículas) que contienen proteínas pero no programación genética. Todas las células mueren si no pueden fabricar nuevas proteínas de manera continua para sustituir a las que están dañadas o mal plegadas. En una hora o incluso menos una célula bacteriana tiene que producir de nuevo todas sus proteínas o perecer. Lo mismo vale para las estructuras de la célula, como la membrana celular: la renovación de las moléculas de fosfolípidos y de los transportadores de membrana es tal que si estos no se abastecieran continuamente, la membrana se descompondría y el contenido celular se derramaría. Cuando se cultivan células en el laboratorio, una prueba sencilla para los candidatos viables es determinar si la membrana está lo bastante perforada para permitir la entrada de un colorante grande. Si la tinción puede penetrar en las células, es evidente que están muertas.

Hay también maquinaria proteínica que degrada y destruye células viejas o defectuosas en los organismos pluricelulares. Este proceso de muerte celular programada, denominado apoptosis, es una parte crucial de la vida y el desarrollo. Desde luego, desmantelar algo tan complejo como una célula requiere una exquisita hazaña de coordinación. El apoptosoma, un complejo proteínico apodado «la máquina de matar de siete radios», utiliza una cascada de caspasas (enzimas que digieren proteínas, o proteasas) para iniciar la destrucción. Estas caspasas son responsables del desmantelamiento de proteínas celulares clave, como las proteínas del citoesqueleto, lo que conduce a los típicos cambios observados en la forma de las células que experimentan apoptosis. Otro rasgo distintivo de la apoptosis es la fragmentación del equipo lógico del ADN. Las caspasas desempeñan un papel importante en este proceso al activar un enzima que divide el ADN, la DNasa. Como resultado, inhiben los enzimas reparadores del ADN, lo que permite la descomposición de proteínas estructurales en el núcleo de la célula.

Podemos pensar en nuestro cuerpo como un patrón de proteínas en el espacio, pero debido a la renovación constante de sus componentes, dicho patrón es dinámico. Schrödinger captó este aspecto cuando hablaba del «asombroso regalo de un organismo de concentrar una “corriente de orden” sobre sí mismo y escapar así de la degradación en el caos atómico, de “beber orden” de un ambiente adecuado».

Finalmente, debiéramos considerar lo que en último término impulsa toda la frenética actividad y renovación dentro de todas y cada una de las células. Si hay una candidata para una fuerza vital que anime la vida, esta es la que por primera vez extasió a Robert Brown (1773-1858) en 1827, cuando el botánico escocés quedó fascinado por el incesante movimiento zigzagueante de fragmentos en granos de polen, un fenómeno que acabaría por recibir su nombre (bueno, a menos que uno sea francés: afirman estos que observaciones similares las dio a conocer en 1828 el botánico Adolphe-Théodore Brongniart, 1801-1876). Lo que intrigó a Brown fue que este movimiento microscópico no era el resultado de corrientes en el líquido, ni de la evaporación, ni de ninguna otra causa evidente. Al principio pensó haber vislumbrado «el secreto de la vida», pero después de observar el mismo tipo de movimiento en granos minerales descartó esta idea.

El primer paso clave en nuestra comprensión actual de lo que Brown había observado llegó más de sesenta y cinco años después de sus descubrimientos, cuando Albert Einstein (1879-1955) demostró que las diminutas partículas eran agitadas por las moléculas invisibles que constituían el agua que las rodeaba. Hasta el artículo de Einstein de 1905, una minoría de físicos (notablemente Ernst Mach, de 1838-1916) dudaban todavía de la realidad física de átomos y moléculas. La teoría de Einstein acabó por ser confirmada mediante meticulosos experimentos realizados en París por Jean Baptiste Perrin (1870-1942), que por este trabajo y otros recibió el premio Nobel de Física en 1926.

El movimiento browniano tiene consecuencias profundas a la hora de comprender el funcionamiento de las células vivas. Muchos de los componentes vitales de una célula, como el ADN, son mayores que los átomos individuales, pero todavía lo bastante pequeños para resultar zarandeados por el golpeteo constante del mar de átomos y moléculas que los rodea. Así, mientras que el ADN tiene realmente la forma de una doble hélice, es una hélice que serpentea, se retuerce y gira como resultado de las fuerzas del movimiento browniano aleatorio. Los robots proteínicos de las células vivas sólo pueden plegarse en sus formas adecuadas porque sus componentes son cadenas, láminas y hélices móviles que se ven constantemente golpeadas dentro de la membrana protectora de la célula. La vida es impulsada por el movimiento browniano, desde los camiones de la proteína quinesina que arrastran diminutos sacos de sustancias químicas a lo largo de los microtúbulos hasta la ATP sintasa giratoria.[76] De manera crítica, la cantidad de movimiento browniano depende de la temperatura: si es demasiado baja no hay suficiente movimiento; si es demasiado alta todas las estructuras se aleatorizan debido al violento movimiento. Así, la vida sólo puede existir en un margen estrecho de temperatura.

Dentro de este margen, en el interior de las células ruge continuamente el equivalente de un terremoto de intensidad 9 en la escala de Richter. «Ni siquiera necesitaríais pedalear la bicicleta: fijaríais simplemente un retén a la rueda que impidiera que se moviera hacia atrás y os arrastraría hacia delante», según George Oster y Hongyun Wang, del Departamento de Biología Molecular y Celular de la Universidad de California en Berkeley.[77] Los robots proteínicos consiguen una hazaña comparable al utilizar retenes y golpes enérgicos para aprovechar la energía del movimiento browniano. Debido a los incesantes y aleatorios movimiento y vibración de las moléculas, la difusión es muy rápida a distancias cortas, lo que permite que las reacciones biológicas tengan lugar con cantidades ínfimas de reactantes en los volúmenes extremadamente confinados de la mayoría de células.

Ahora que sabemos que el código lineal del ADN determina la estructura de los robots proteínicos y de los ARN que hacen funcionar nuestras células y, a su vez, que la estructura determina las funciones de la proteína y los ARN, la siguiente pregunta es obvia: ¿cómo leemos y damos sentido a este código, de modo que podamos comprender el equipo lógico de la vida?

4

Digitalizando la vida

Los primeros días de la biología molecular estuvieron marcados por lo que a muchos les pareció una separación arrogante de la nueva ciencia a partir de la bioquímica. Sin embargo, a nuestro razonamiento no le importaban los métodos de la bioquímica, sino sólo su ceguera al ignorar el nuevo campo de la química de la información.

SYDNEY BRENNER, 2005[78]

Esta es ahora la era de la biología digital, en la que las proteínas y otras moléculas interactuantes en una célula pueden considerarse como su equipo físico, y la información codificada en su ADN como su equipo lógico. Toda la información necesaria para producir una célula viva que se autorreplique está encerrada en las espirales de su doble hélice. Cuando leamos e interpretemos dicho código podremos, a su debido tiempo, ser capaces de comprender por entero cómo funcionan las células, y después cambiarlas y mejorarlas escribiendo nuevos programas celulares. Pero, desde luego, esto es mucho más fácil de decir que de hacer en la práctica: los estudios de este equipo lógico de ADN revelan que es mucho más complejo de lo que pensábamos hace sólo una década.

Aunque la primera secuencia lineal de aminoácidos de una proteína (la insulina) la determinó en 1949 Fred Sanger, el proceso para leer el ADN tardó más tiempo en desarrollarse. En las décadas de 1960 y 1970 el progreso fue lento, y las secuenciaciones se medían en términos de unos pocos pares de bases por mes o incluso por año. Por ejemplo, en 1973 Allan Maxam y Walter Gilbert, de la Universidad de Harvard, publicaron un artículo que describía que se habían determinado veinticuatro pares de bases con su nuevo método de secuenciación.[79] Mientras tanto, la secuenciación del ARN también estaba en marcha y avanzaba un poco más deprisa. Aun así, comparado con las capacidades de la tecnología actual, el esfuerzo necesario para leer siquiera unas pocas letras del código era heroico.

La mayoría de la gente está enterada de la genómica por el primer desciframiento del genoma humano, que culminó con mi presencia en la Casa Blanca en 2000, junto con mis colegas-competidores y el presidente Clinton, y que desveló la secuencia del genoma humano. En realidad, las primeras ideas de descifrar el ADN se remontan a más de medio siglo, cuando Watson y Crick propusieron la estructura atómica del ADN. Un salto importante en nuestro conocimiento tuvo lugar cuando, en 1965, un grupo encabezado por Robert Holley, de la Universidad de Cornell, publicó la secuencia de los setenta y siete ribonucleótidos del ARN de transferencia (tARN) de la alanina de las células de la levadura Saccharomyces cerevisiae,[80] como parte de la investigación para descubrir de qué manera los tARN contribuían a combinar aminoácidos en proteínas. La secuenciación de aminoácidos continuó abriendo camino cuando, en 1967, el grupo de Fred Sanger determinó la secuencia de nucleótidos del ARN ribosómico 5S de E. coli, un pequeño ARN de 120 nucleótidos.[81] El primer genoma real que se descifró con éxito fue un genoma vírico de ARN: el bacteriófago MS2 fue secuenciado en 1976 en el laboratorio de Walter Fiers, en la Universidad de Gante, en Bélgica. Fiers había estudiado bacteriófagos (que secuestran células bacterianas para reproducirse) con Robert L. Sinsheimer, en el Instituto de Tecnología de California (Caltech), y después con Har Gobind Khorana, en Madison, Wisconsin.

La tecnología de secuenciación de ADN que hizo posible que yo secuenciara el genoma humano se originó a mediados de la década de 1970, cuando el equipo de Fred Sanger en Cambridge desarrolló nuevas técnicas de secuenciación de ADN, la primera de las cuales fue la secuenciación «más-menos», seguida de lo que Sanger denominó secuenciación dideoxi de ADN, pero que en su honor ahora se llama secuenciación de Sanger. La secuenciación de Sanger utiliza dideoxinucleótidos o nucleótidos terminadores para impedir que la polimerasa del ADN siga añadiendo nucleótidos adicionales a la cadena de ADN en crecimiento; los dideoxinucleótidos carecen de un grupo hidroxilo (-OH), lo que significa que, después de haberse unido mediante una polimerasa del ADN a una cadena de nucleótidos en crecimiento, ya no pueden añadirse más nucleótidos. Fijando un fosfato radiactivo a uno de los cuatro nucleótidos, para marcar los fragmentos, era posible leer el orden de las «A», «T», «C» y «G» al exponer el gel empleado para separar una base de otra a película de rayos X.

El equipo de Sanger empleó sus nuevas herramientas de secuenciación para determinar la primera secuencia de ADN de un genoma vírico, el del bacteriófago phi X 174,[82] que se publicó en Nature en 1977. Clyde Hutchison (que ahora está en el Instituto Venter) era un científico visitante en el laboratorio de Sanger (procedente de la Universidad de Carolina del Norte, de cuyo claustro era miembro desde 1968) y contribuyó a la secuenciación del genoma del phi X 174. En la década de 1950, Sinsheimer, utilizando dispersión de la luz, había estimado que el tamaño del genoma del phi X 174 era de unas 5400 bases, y se sintió recompensado cuando Sanger reveló que el número real era de 5386.[83]

Yo había terminado mi tesis doctoral en la Universidad de California, San Diego (UCSD), dos años antes de que apareciera el artículo de Sanger, y desde entonces me había trasladado a la Universidad Estatal de Nueva York en Búfalo para empezar mi carrera de investigación independiente y docencia. Entonces me perdí el artículo de Sanger porque ocurrió en plena ventisca de 1977, que fue mortífera, y porque mi hijo nació dos semanas después de la publicación.[84] Por aquel entonces mi laboratorio trabajaba en el aislamiento y caracterización de las proteínas en el lugar en que se transmiten señales entre las neuronas, los llamados receptores de neurotransmisores.

La secuenciación del ADN avanzó gradualmente durante la década que siguió al trabajo sobre el genoma del phi X 174. Aunque la secuenciación de Sanger se convirtió en el método estándar mundial, era lento, muy laborioso y necesitaba el empleo de cantidades sustanciales de fósforo radiactivo, que tenía una vida media de sólo un par de semanas. Asimismo, leer los geles de secuenciación era más un arte que una ciencia. En su segundo discurso del premio Nobel, Sanger describía el tedioso esfuerzo asociado a las primeras secuenciaciones del ADN, y concluía: «Parecía que para poder secuenciar material genético era deseable un nuevo enfoque».[85]

En 1984 yo había trasladado mi equipo de investigación a los Institutos Nacionales de Salud, y empezamos a aprender biología molecular con la ayuda de algunos buenos manuales de recetas de biología molecular y de mis interacciones con Marshall Nirenberg y su laboratorio. Durante mi primer año en los NIH únicamente secuenciamos un gen, el receptor de la adrenalina del cerebro humano,[86] utilizando la secuenciación radiactiva de Sanger, pero esto tomó la mayor parte de un año. Al igual que Sanger, yo estaba convencido de que tenía que haber una manera mejor de hacerlo. Afortunadamente, fue por esta época cuando Leroy Hood y su equipo de Caltech publicaron un artículo clave en el que describían que habían sustituido el fosfato radiactivo con cuatro tintes fluorescentes distintos en las bases terminadoras del ADN que, cuando se las activaba con un haz de láser, podían leerse secuencialmente en un ordenador.[87] Obtuve una de las primeras máquinas de secuenciar ADN de la nueva compañía Applied Biosystems por la misma época en que se producían discusiones serias acerca de una propuesta descabellada: secuenciar todo el genoma humano.

Utilizando la nueva tecnología de secuenciación del ADN conectada a análisis informático, mi laboratorio secuenció rápidamente miles de genes humanos mediante un nuevo método que yo había desarrollado y que se centraba en secuencias relativamente cortas y que mi equipo había denominado marcadores de secuencia expresada (EST).[88] El método EST[*] implicaba secuenciar el material genético expresado, el ARN mensajero (después de convertirlo en ADN complementario). Aunque descubrimos con éxito varios miles de genes humanos con el método EST, mi enfoque no fue apreciado de inmediato por muchos, que lo consideraban una amenaza a la manera tradicional de hacer descubrimientos de genes, porque podíamos descubrir más genes por día de los que toda la comunidad científica había descubierto en la década anterior. La situación no mejoró cuando el gobierno de Estados Unidos decidió patentar todos los genes identificados por mi equipo. Aunque nuestros descubrimientos provocaron ataques y controversia, también produjeron algunas ofertas atractivas, entre ellas una para formar mi propio instituto de investigación en ciencia básica, que acepté en 1992. Lo llamé Instituto de Investigación Genómica (TIGR),[*] y fue allí, en Rockville, Maryland, donde construimos la mayor fábrica de secuenciación de ADN del mundo, utilizando las últimas versiones de las máquinas automáticas para secuenciar ADN.

El curso de la historia de la genómica cambió en 1993, después de un encuentro casual en Bilbao, España, donde yo había esbozado nuestros rápidos progresos en el descubrimiento de genes. Muchas personas de la audiencia parecían sorprendidas por los voluminosos resultados de nuestro proyecto EST y por la naturaleza de nuestros descubrimientos, notablemente los genes responsables del cáncer de colon sin poliposis, descubiertos en colaboración con Bert Vogelstein, del Centro de Cáncer Johns Hopkins Kimmel, de Baltimore. Una vez se hubo disipado la muchedumbre que se había acercado a mí para plantear preguntas directas, me encontré ante un hombre alto, de aspecto bondadoso, con el cabello plateado y gafas. «Pensaba que se suponía que Vd. tenía cuernos», me dijo, refiriéndose a la imagen demoníaca que la prensa había usado con frecuencia para definirme. Se presentó como Hamilton Smith, de Johns Hopkins. Yo ya sabía de Ham por su enorme reputación en el campo y por su premio Nobel, y me gustó al instante: era evidente que había decidido que se formaría su propia opinión sobre mí y mi ciencia y que no dejaría que otros dictaran su opinión.[89]

Para entonces Ham había tenido una carrera larga y productiva y, a los sesenta y dos años, estaba pensando en retirarse. Sin embargo, mientras hablábamos en el bar y luego durante la cena después de mi conferencia, me hizo una interesante sugerencia: propuso que su bacteria favorita, Haemophilus influenzae, de la que él había aislado los primeros enzimas de restricción, sería un candidato ideal para secuenciar el genoma empleando mis planteamientos.

Nuestro primer proyecto conjunto empezó con un inicio lento, pues Ham explicó que había problemas para producir las bibliotecas de clones que contienen los fragmentos de genoma de H. influenzae. Sólo años más tarde me reveló que sus colegas en Johns Hopkins se habían interesado muy poco por nuestro proyecto, y me consideraban bajo sospecha debido al furor del EST y temerosos de que su asociación conmigo arruinara su reputación. Aunque muchos de ellos iban a invertir su carrera estudiando H. influenzae, no vieron inmediatamente el valor de obtener la secuencia de su genoma entero. Al final se vio obligado a dejar de lado a su propio equipo, como yo mismo había hecho años antes en mi trabajo con los EST.[90]

Ham empezó a colaborar conmigo en TIGR. Nuestro trabajo en el proyecto empezó en 1994 e implicó a la mayor parte de mi equipo científico. A diferencia del laboratorio de Sanger unos años antes con el phi X 174, que empleaba fragmentos de restricción únicos aislados para secuenciar de uno en uno, nosotros nos basábamos completamente en la aleatoriedad. Desmenuzábamos el genoma en fragmentos en una biblioteca mezclada y seleccionábamos al azar veinticinco mil fragmentos para obtener lecturas de secuencias de alrededor de quinientas letras cada una. Utilizando un nuevo algoritmo desarrollado por Granger Sutton, empezamos a resolver el mayor de los enigmas biológicos hasta la fecha, ensamblando de nuevo aquellos fragmentos en el genoma original. En el proceso desarrollamos varios métodos nuevos para acabar el genoma. Todos y cada uno de los pares de bases del genoma fueron secuenciados de manera precisa y los veinticinco mil fragmentos ensamblados de manera precisa. El resultado fue que los 1,8 millones de pares de bases del genoma se volvieron a crear en el ordenador en el orden correcto.

El paso siguiente era interpretar el genoma e identificar todos los genes que lo componían. Al ser el primero que examinaba el complemento génico de un organismo vivo y autorreplicante, yo quería hacer mucho más que simplemente informar de la secuencia. El equipo pasó un tiempo sustancial resolviendo qué es lo que el conjunto de genes decía acerca de la vida del organismo. ¿Qué es lo que significaba el equipo lógico que programaba las estructuras y funciones de la vida? Escribimos nuestros resultados en un artículo científico que fue aceptado rápidamente para su publicación en la revista Science y se programó para que apareciera en junio de 1995. Semanas antes ya circulaban rumores de nuestro éxito. Como resultado, fui invitado a dictar la conferencia presidencial en la reunión anual de la Sociedad Americana de Microbiología, que se celebraba en Washington, D. C., el 24 de mayo de 1955, y acepté a condición de que Ham saliera conmigo al estrado. La presión acabó por afectarme cuando el presidente de la sociedad, David Schlessinger, de la Universidad de Washington, en St. Louis, anunció lo que describió como un «acontecimiento histórico».

Con Haemophilus influenzae habíamos transformado la doble hélice de la biología en el mundo digital del ordenador, pero la diversión no había hecho más que empezar. Mientras habíamos empleado su genoma para explorar la biología de esta bacteria y cómo causa meningitis y otras infecciones, habíamos secuenciado de hecho un segundo genoma para validar el método: el más pequeño conocido, el de Mycoplasma genitalium. Cuando terminé mi charla, la audiencia se puso en pie al unísono y me dedicó una ovación larga y sincera. Nunca antes había sentido una reacción tan grande y espontánea en una reunión científica.[91]

Fue este un momento muy dulce. Mi equipo se había convertido en el primero en secuenciar el código genético de un organismo vivo, y de igual importancia fue el hecho de que lo habíamos llevado a cabo desarrollando un nuevo método, que denominamos «secuenciación del genoma entero por fuerza bruta o por disparo».[*] Este logro señaló el inicio de una nueva era, en la que el ADN de los seres vivos podía leerse de forma rutinaria de manera que podía ser analizado, comparado y comprendido.

Una vez hubimos terminado el genoma de Haemophilus influenzae, yo quería secuenciar un segundo genoma de manera que pudiéramos comparar dos genomas para permitir comprender el conjunto básico de genes necesarios para la vida. Por aquel entonces, Clyde Hutchison, de la Universidad de Carolina del Norte, en Chapel Hill, había encontrado un candidato atractivo para el tamaño más pequeño de genoma conocido: una especie de Mycoplasma genitalium, con menos de quinientos genes. Parecía que este genoma complementaría nuestro trabajo en H. influenzae, porque procedía de un grupo diferente de bacterias. La tinción de Gram, así llamada por su inventor, Hans Christian Gram (1853-1938), distribuye todas las especies de bacterias en dos grupos, en función de cómo reaccionan a una tinción: las Gram positivas (como Bacillus subtilis, por ejemplo) adoptan un color púrpura/azul, mientras que los organismos Gram negativos (como H. influenzae) adquieren un color rosado/rojo. Se cree que M. genitalium deriva evolutivamente de una especie de bacilo, y así se clasifica como miembro de las bacterias Gram positivas.

Sólo hicieron falta tres meses para completar la secuenciación del genoma, y en 1995 publicamos el genoma de 580 000 pares de bases de Mycoplasma genitalium en Science.[92] Aunque nuestra realización habría de servir en último término como fundamento para el proyecto de crear una célula sintética, tuvo implicaciones más inmediatas. Como consecuencia pudimos poner en marcha una nueva disciplina, conocida como genómica comparada. Al comparar los dos primeros genomas secuenciados en la historia, podíamos buscar elementos comunes asociados con un ser vivo autorreplicante. La genómica comparada explota uno de los hallazgos más interesantes de la biología: cuando la evolución produce una estructura proteínica que realiza una función biológica fundamental, la evolución tiende a utilizar la misma estructura/secuencia una y otra vez.

Los genes que controlan el proceso fundamental de la división celular en la levadura, por ejemplo, son similares a los que emplean nuestras propias células.[93] Puesto que el gen que codifica la polimerasa del ADN había sido identificado, secuenciado y caracterizado funcionalmente a partir de la bacteria E. coli, nuestro equipo podía usar esta información para buscar secuencias similares en las secuencias génicas putativas de H. influenzae. Si alguna de las secuencias de ADN se parecía exactamente a la del gen de la polimerasa del ADN de E. coli, podíamos inferir que el gen de H. influenzae era asimismo una polimerasa del ADN. El problema era que en 1995 las bases de datos de genes eran muy fragmentarias, de modo que no había mucho con lo que comparar nuestro genoma. Como resultado, casi el 40% de los genes putativos en nuestros genomas secuenciados no tenían equivalentes en las bases de datos.

Nuestro artículo en Science sobre M. genitalium describía cómo habíamos usado los datos de ambos genomas secuenciados para plantear preguntas básicas acerca de la receta de la vida: ¿cuáles eran las diferencias clave en el contenido génico de las dos especies? Hay unas 1740 proteínas en H. influenzae, cada una de ellas codificada por un gen específico, y otros ochenta genes codifican los ARN. M. genitalium sólo tiene 482 genes que codifican proteínas y 42 genes para ARN. El genoma de M. genitalium es menor en parte porque carece de todos los genes para producir sus propios aminoácidos (puede adquirirlos de su patrón humano). Como M. genitalium, nosotros también tenemos «aminoácidos esenciales», como la valina y el triptófano, que nuestras células no pueden producir y que han de obtener de nuestra dieta.

Quizá una pregunta todavía más interesante es: ¿qué genes comparten estos microorganismos tan diferentes? Si se encuentra que los mismos genes están presentes en muchos tipos de organismos distintos, entonces adquieren una importancia mucho mayor. Genes comunes sugieren un antepasado común y que en realidad podrían ser fundamentales para el mismo proceso de la vida. Un párrafo clave de nuestro artículo de 1995 rezaba así: «Una inspección de los genes y de su organización en M. genitalium permite la descripción de un conjunto mínimo de genes necesarios para la supervivencia».

Empezamos a pensar acerca del conjunto de genes básicos para la vida. ¿Cuál es el menor número de genes que se precisan para que una célula sobreviva y medre? Esperábamos que los genes que estas bacterias de dos grupos diferentes tenían en común proporcionaran una vislumbre del conjunto génico fundamental.

Un reflejo del pobre estado de nuestros conocimientos biológicos en 1995 era el hecho de que no teníamos idea de la función de 736 genes, o el 43%, del total de los que tiene H. influenzae, y 152 genes, o el 32%, de los genes de M. genitalium. Mientras escribíamos los artículos teníamos muchas discusiones sobre la vida y sobre si M. genitalium representaba realmente un verdadero conjunto génico mínimo. El propio artículo sobre M. genitalium aludía a nuestras discusiones cuando concluía: «La comparación de [genomas acabados de secuenciar] con la secuencia del genoma de M. genitalium tendría que permitir una definición más precisa del complemento génico fundamental para un organismo autorreplicante y una comprensión más general de la diversidad de la vida». Otros grupos empezaron también a trabajar con nuestros datos de los dos primeros genomas publicados. Eugene Koonin, en los NIH, celebró este progreso porque señalaba una nueva era en la ciencia del genoma y concluía, a partir de un estudio informático, que había muy poca diversidad génica en los microbios, sobre la base de la semejanza entre los conjuntos de genes de una bacteria Gram negativa (H. influenzae) y una Gram positiva (M. genitalium).[94] Sin embargo, nuestro siguiente proyecto de genoma cambiaría, de golpe, la visión que el mundo tenía de la diversidad genética.

En 1996 elegimos a propósito una especie insólita para nuestro tercer proyecto de genoma: Methanococcus jannaschii. Este organismo unicelular vive en un ambiente extraordinario, una fumarola hidrotermal en la que líquido caliente y rico en minerales surge del fondo marino profundo. En estas condiciones infernales las células resisten hasta 245 atmósferas (equivalente a la aplastante presión de 245 kilogramos por centímetro cuadrado) y temperaturas de ochenta y cinco grados centígrados. Esto por sí solo ya es notable, pues la mayoría de proteínas se desnaturalizan alrededor de los cincuenta a sesenta grados centígrados, que es la razón por la que la clara del huevo se torna opaca cuando se cuece. A diferencia de la vida sobre la superficie de la Tierra, que depende de la luz del Sol, Methanococcus es un autótrofo, es decir, que produce todo lo que necesita para su subsistencia a partir de sustancias inorgánicas. El dióxido de carbono es la fuente de carbono para todas las proteínas y lípidos de una célula de Methanococcus, que también genera su energía celular al convertir dióxido de carbono en metano. Methanococcus pertenece a la propuesta tercera rama de la vida, los llamados arqueos, descubiertos por Carl Woese, de la Universidad de Illinois, Urbana, en 1977.[95] El genoma de Methanococcus fue escogido en colaboración con Woese como el primero de los arqueos en ser secuenciado y analizado.

La secuencia no decepcionó. El genoma de Methanococcus[96] amplió nuestra visión de la biología y del acervo génico de nuestro planeta. Casi el 60% de los genes de Methanococcus eran nuevos para la ciencia y de función desconocida; sólo el 44% de los genes se parecían a algo que se hubiera caracterizado previamente. Algunos genes de Methanococcus, incluidos los asociados con el metabolismo energético básico, se parecían a los de la rama bacteriana de la vida. Sin embargo, en marcado contraste, muchos de sus genes, incluidos los asociados con el procesamiento de la información, y con la replicación de genes y cromosomas, tenían sus mejores equivalentes en genes eucariotas, entre ellos algunos de humanos y de levaduras. Nuestro estudio del genoma apareció en la primera página de todos los principales periódicos de Estados Unidos y se le dedicaron titulares en gran parte del resto del mundo: The Economist lo calificaba de «Materia caliente», mientras que Popular Mechanics anunciaba «Vida ajena en la Tierra», un tema que también aparecía en el San Jose Mercury News con «Algo procedente de la ciencia ficción».[97] Estudios recientes sugieren que los eucariotas son una rama de los arqueos, lo que, de ser cierto, nos haría volver a las dos principales ramas de la vida.[98]

Aquel mismo año, 1996, la NASA apareció en los titulares de los medios de todo el mundo cuando publicó que algunos pensaban que había pruebas de la existencia de vida microbiana en Marte. Everett Gibson y sus colegas en la agencia anunciaron que habían descubierto fósiles de unas pocas decenas de nanómetros de tamaño en un meteorito conocido como ALH 84001. Este fue un hallazgo sensacional, porque el ALH 84001 había sido expulsado de la superficie del planeta rojo y después había caído a la Tierra hacía aproximadamente trece mil años.

Esta noticia de marcianos microbianos, acompañada de intrigantes imágenes de minúsculos burujos y salchichas microscópicas, estimularon todavía más las discusiones acerca de qué podría constituir un genoma mínimo. Con una sencilla comprobación apresurada dedujimos el volumen de la «nanobacteria» de la que se informaba, que resultó ser tan pequeña que posiblemente no podría haber contenido ninguna molécula de ADN o ARN. Ahora está claro que las estructuras que se ven en ALH 84001 no proceden de seres vivos y que hay mecanismos de crecimiento cristalino que son capaces de producir depósitos que se asemejan a células primitivas.[99]

Durante los años siguientes mi equipo seguiría secuenciando un gran número de genomas de especies inusuales, entre ellas una que fue inspirada por el trabajo pionero de Barry Marshall, en Australia. Marshall y el patólogo Robin Warren creían que unas bacterias de forma espiral, que posteriormente se denominarían Helicobacter pylori, eran responsables de las úlceras de estómago. Me había inspirado la manera en que Marshall había perseverado, a pesar de que su trabajo había sido puesto en duda constantemente. Sus colegas no querían creer que las bacterias, y no el estrés, pudieran ser la causa de las úlceras. En 1984, Marshall había tenido la valentía de sus convicciones y había ingerido una solución de las bacterias. Pronto vomitó y desarrolló una inflamación estomacal. Al final, su persistencia fue recompensada. Su investigación hizo posible que millones de personas fueran tratadas mediante antibióticos, lo que también disminuía el riesgo de contraer cáncer de estómago, en lugar de tener que tomar diariamente medicinas para reducir la acidez. Publicamos el genoma de Helicobacter pylori en 1997,[100] y en 2005 Marshall recibió el premio Nobel de Medicina.[101]

Como sea que la vida unicelular existe desde hace casi cuatro mil millones de años, se ha diversificado para ocupar una amplia gama de ambientes, desde los helados desiertos de la Antártida hasta las fuentes termales ácidas. Esta capacidad para subsistir en los extremos les ha valido a estos organismos que viven en ambientes marginales el nombre de «extremófilos». Escudriñando la vida en el límite, tal como habíamos hecho con Methanococcus, pensamos que podríamos sacar el máximo partido de la genómica comparada. El siguiente genoma de extremófilo que secuenciamos fue el de Archaeoglobus, que vive en depósitos de petróleo y fuentes termales. Este organismo emplea sulfato como fuente de energía, pero puede comer casi de todo.[102] Nuestro primer análisis de los más de dos millones de letras de su genoma reveló que una cuarta parte de sus genes eran de función desconocida (dos tercios de estos genes misteriosos los comparte con M. jannaschii), y otra cuarta parte codificaba proteínas nuevas.

Nuestra secuencia de los dos primeros genomas bacterianos y del primer genoma de un arqueo, y la publicación del genoma de la levadura[103] por parte de un gran consorcio de laboratorios, proporcionó al mundo las primeras imágenes de los genomas de las tres ramas de la vida. ¿Qué nos decían estos datos acerca de la receta básica de la vida? Nuestro intento de identificar los genes elementales de la vida nos llevó a varios caminos experimentales. Desde el principio nuestro plan fue acercarnos al objetivo de comprender un ser vivo autorreplicante mínimo desde varias direcciones. Aunque sintetizar el genoma sería la solución última, necesitábamos una gran cantidad de información acerca de la vida celular básica que no existía en la literatura científica.

La aproximación más evidente consistía en desactivar genes en el genoma de M. genitalium para intentar establecer cuáles son esenciales: extraemos o eliminamos un gen y, si el organismo sigue viviendo, se puede suponer que aquel gen concreto no tiene un papel fundamental; si el organismo muere, es claro que el gen era esencial. La idea era sencilla y había sido usada con éxito anteriormente, en varias especies. Mario Capecchi, de la Universidad de Utah, Oliver Smithies, de la Universidad de Carolina del Norte, en Chapel Hill, y Martin Evans, en la Universidad de Cardiff, en el Reino Unido, compartieron el premio Nobel de 2007 por su trabajo durante la década de 1980 sobre la tecnología usada para crear sistemas para desactivar genes en ratones, en los que uno o más genes se habían desactivado de manera selectiva.

Sin embargo, los obstáculos prácticos para aplicar estos métodos a M. genitalium eran otra cuestión. Realizar desactivaciones de genes en una especie como la levadura es relativamente fácil, gracias a la gama de herramientas genéticas disponibles para aquella especie. Tales herramientas faltaban por completo para los micoplasmas, y lo mismo ocurría con los medios para producir cambios génicos múltiples y seriados.

Una de las herramientas fundamentales de biología molecular es la selección por antibióticos. Con la selección por antibióticos, se seleccionan las células en las que se han efectuado cambios en los genes al matar a todas las células no modificadas con un antibiótico. Las células modificadas sobreviven porque los plásmidos de ADN que se utilizan para introducir nuevos genes en ellas contienen también genes que codifican enzimas que confieren resistencia al antibiótico. Aunque esta técnica es la base de la mayoría de experimentos en biología molecular, lamentablemente sólo existen unos pocos sistemas disponibles de selección por antibióticos, lo que limita gravemente el número de cambios génicos seriados que se pueden hacer.

Para resolver uno de los problemas, Clyde Hutchison encontró una vía de entrada única, que denominamos «mutagénesis de transposones de genoma completo», en el que una pequeña unidad de ADN, denominada transposón, desbarata un gen, lo que nos permitía concluir si dicho gen era esencial. Los transposones son secuencias de ADN relativamente cortas que contienen los elementos genéticos necesarios que les permiten insertarse en un genoma, ya sea en secuencias específicas o al azar. En investigaciones que le valdrían el premio Nobel en 1983, la estadounidense Barbara McClintock había descubierto elementos transponibles en el maíz, donde alteraban el patrón de pigmentación de los granos.[104] Se puede pensar en los transposones como genes egoístas, similares a virus, que «infectan» un genoma. Resulta que una gran porción de nuestro genoma está compuesto de estos parásitos del ADN. Son importantes, en especial porque pueden causar enfermedades genéticas si se insertan en un gen clave y alteran su función.

Escogimos un transposón (Tn4001) aislado de Staphylococcus aureus para que se insertara aleatoriamente en el genoma de M. genitalium para alterar las funciones génicas. Hicimos crecer las células que sobrevivieron a las inserciones y aislamos y secuenciamos su ADN, empezando con un cebador de secuenciación que sólo se fijaba al transposón, para determinar de forma precisa en qué lugar del genoma había acabado el transposón. Si el Tn4001 se insertaba en medio de un gen y las células sobrevivían, entonces considerábamos que aquel gen no era esencial para la vida.

Después de bombardear el genoma con transposones, consideramos que todos los genes que no tenían inserciones de transposones en las células vivas eran esenciales. Una vez hubimos completado nuestro análisis de los datos nos dimos cuenta de que este sistema de evaluación absoluto era ingenuo y que genes y genomas son específicos de su contexto, y que los genes por sí solos no pueden definir la vida. Puesto que todas las células obtienen de su ambiente nutrientes y sustancias químicas clave, si el ambiente cambia, los genes que se precisan para la vida en este nuevo ambiente también necesitan cambiar.

Las proteínas de transporte a través de membranas son responsables de trasladar nutrientes esenciales desde el ambiente al interior de las células. Por ejemplo, M. genitalium puede crecer independientemente a base de dos azúcares, glucosa y fructosa, y hay genes que codifican una proteína transportadora específica para cada azúcar. En nuestros estudios de inserción de transposones, ambos genes aparecieron en el grupo no esencial, lo que al principio nos sorprendió, porque son básicos para la manera en que se alimenta este organismo. Sin embargo, nos dimos cuenta de que los medios que empleamos para hacer crecer las células de M. genitalium contenían tanto glucosa como fructosa, lo que significaba que, si se desactivaba el gen para cada transportador, la célula simplemente pasaba a consumir el otro azúcar. En contraste, si hacíamos crecer las células únicamente sobre un azúcar, entonces las células morían cuando el transportador de dicho azúcar era desactivado. En algunas funciones, como el metabolismo del azúcar, no es difícil distinguir los «genes condicionalmente esenciales», pero para funciones celulares y genes que son desconocidos no hay una manera evidente de establecer si otro gen está proporcionando apoyo al que se ha alterado.

Este punto quedó resaltado cuando extendimos los estudios a la especie emparentada Mycoplasma pneumoniae, el pariente más cercano conocido de M. genitalium, que tiene un genoma cuyo tamaño es de 816 000 pares de bases, 236 000 pares de bases mayor que el de M. genitalium. De nuevo, queríamos usar los estudios de inserción de transposones en conjunción con la genómica comparada para determinar el número mínimo de genes necesarios para la vida. El genoma de Mycoplasma pneumoniae incluye genes que evolucionaron a partir de un gen ancestral común (ortólogo) de prácticamente cada uno de los 480 genes que codifican proteínas en M. genitalium, más otros 197 genes adicionales. Esto planteaba una posibilidad tentadora: ¿podría ser que los 480 genes que las dos especies tienen en común se hallen ya cerca de constituir un conjunto génico mínimo? Nuestra hipótesis de partida era que los 197 genes adicionales en el genoma de M. pneumoniae deberían ser todos susceptibles de ser inactivados por las inserciones de transposones, pues la existencia misma de M. genitalium sugeriría que no son necesarios para la vida. Los resultados no fueron muy satisfactorios ni informativos; encontramos que 179 genes de M. pneumoniae eran inactivados por las inserciones de transposones, pero sólo 140 de los 197 genes adicionales eran inactivados.

A partir de nuestros estudios combinados estimamos que en M. genitalium de 180 a 215 genes no son esenciales y que el número de genes esenciales es de 265 a 350. De estos, 111 son de función desconocida. Claramente, esta no era la definición precisa de la vida que estábamos buscando. Además, trabajando estos datos, cada vez era más evidente que los genes que eran prescindibles individualmente podrían no ser capaces de ser eliminados conjuntamente.

Dadas los límites de las herramientas de la biología molecular y las limitaciones de los datos de transposones, llegamos a la conclusión de que la única manera de conseguir un genoma mínimo sería intentar sintetizar todo el genoma bacteriano desde cero. Tendríamos que sintetizar químicamente todo el cromosoma, utilizando sólo los genes esenciales. Sin embargo, esto sería un reto enorme. Aunque los científicos llevaban casi medio siglo escribiendo pequeños fragmentos de código genético, nadie había producido ningún artefacto de ADN que tuviera siquiera veinte veces el tamaño que necesitábamos.

El trabajo sobre la síntesis química del ADN se remonta a la década de 1950, con el éxito de Har Gobind Khorana y Marshall Nirenberg, pero no fue hasta la década de 1980 cuando se hicieron avances sustanciales, a partir de la invención de Marvin Caruthers, de la Universidad de Colorado, en Boulder, del sintetizador automático de ADN. Su sintetizador utiliza cuatro botellas que contienen las bases de ADN, «A», «T», «C» y «G», y añade una base a otra en un orden prescrito. De esta manera, los sintetizadores de ADN pueden producir tramos cortos de ADN llamados oligonucleótidos. Sin embargo, la producción y la precisión se reducen a medida que la longitud de los oligonucleótidos aumenta. Se ha construido toda una industria alrededor de la síntesis de oligonucleótidos y de enviarlos a los investigadores, porque el ADN sintético se utiliza en biología molecular para la secuenciación del ADN y las PCR (reacciones en cadena de la polimerasa).

Pueden emplearse métodos químicos para ensartar juntos oligonucleótidos sintéticos para producir fragmentos más largos de ADN. Cuando empezamos a discutir la síntesis de un genoma entero, los fragmentos mayores de ADN que se habían producido medían sólo unos cuantos miles de pares de bases. Construir el genoma de un organismo viable nos exigía sintetizar químicamente y ensamblar casi seiscientos mil pares de bases, y como resultado sabíamos que necesitaríamos desarrollar nuevos métodos para conseguir este objetivo. Para ver si nuestra idea era siquiera remotamente posible decidimos que primero tendríamos que intentar un proyecto de prueba más pequeño. Decidimos sintetizar el genoma del bacteriófago phi X 174. Además de ser el primer ADN vírico secuenciado, otro equipo ya había hecho un intento notable y exitoso para copiar enzimáticamente el genoma de una sola hebra más de tres décadas antes.

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El virus phi X 174 sintético

Será uno de los relatos más importantes que hayáis leído nunca, que vuestro papá haya leído nunca, o que vuestro abuelo haya leído nunca… Estos hombres han revelado un secreto fundamental de la vida. Es una hazaña pasmosa. Abre una amplia puerta a nuevos descubrimientos para luchar contra las enfermedades, para establecer una vida mucho más saludable para todos los seres humanos. Podría ser el primer paso (dicen estos grandes genios de los laboratorios) hacia el futuro control de determinados tipos de cáncer.

PRESIDENTE LYNDON JOHNSON, diciembre de 1967[105]

Aunque la mayoría de la gente no ha oído nunca hablar del phi X 174, este bacteriófago sencillo ya se ha ganado su lugar en la historia. El del fago fue el primer ADN vírico en ser secuenciado y el primero que tuvo su genoma copiado y activado artificialmente. Descubierto en las alcantarillas de París,[106] phi X 174 tiene como diana la bacteria del intestino humano Escherichia coli. Podríamos preguntarnos por qué se ha centrado tanta atención en un virus que en apariencia es tan poco notable, pero la razón es sencilla: este virus es muy poca cosa cuando se le examina a nivel molecular.

Phi X174 consiste en un cromosoma circular de ADN (que sólo tiene once genes en total), envuelto en una «cubierta» icosaédrica de proteínas, y que incluye una docena de «púas» pentagonales. Aunque bajo el microscopio electrónico el fago parece tan bello como una flor, en realidad se trata de una forma geométrica y fría. El virus no está más vivo que un cristal de sal, y su ciclo de vida, tal como se presenta, es como sigue: el fago inyecta su ADN mediante sus púas en una célula bacteriana, donde obliga a la maquinaria bioquímica de la célula a crear muchos virus nuevos. Después la progenie surge de la célula, de manera que pueden seguir infectando todavía más bacterias E. coli.

Antes de la aparición de la secuenciación del ADN y antes de que se conociera siquiera la estructura del genoma del fago, el virus había sido recreado en el laboratorio en la década de 1960 por un equipo de la Universidad de Stanford, dirigido por el bioquímico Arthur Kornberg. La clave para este logro fue el descubrimiento por parte de Kornberg de la polimerasa del ADN, que es el enzima fundamental para la replicación del ADN. El laboratorio de Kornberg empezó usando el enzima recién descubierto para copiar el ADN in vitro. Según los artículos de Kornberg, su equipo intentó inicialmente copiar un genoma bacteriano, pero no tuvo éxito, debido a la incapacidad de la polimerasa de leer sin detenerse a lo largo de todo el genoma, que consiste en millones de bases de ADN.

Después de este experimento fracasado, Kornberg decidió hacer lo que mi equipo iba a hacer treinta años después: eligió un ADN diana menos ambicioso para replicar, el del phi X 174. Robert Sinsheimer, uno de los primeros pioneros de la síntesis y secuenciación de genes, había descubierto por aquel entonces algunos detalles importantes del ciclo de vida del fago. Aunque el ADN vírico de phi X 174 consiste en una única hebra circular de ADN, Sinsheimer encontró que inmediatamente después de haber infectado a su patrón, enzimas presentes en la bacteria convertían el círculo de ADN en la familiar doble hélice lineal. Este descubrimiento esclareció un problema que Kornberg había encontrado en sus primeros intentos de hacer una copia del genoma del virus: mientras que la polimerasa del ADN podía copiar todo el genoma de phi X 174 (5386 pares de bases) en forma lineal, no podía crear la forma circular infecciosa. Todos sabemos cómo transformar una línea en un círculo, pero hacerlo al nivel molecular no era tan fácil para los científicos hace medio siglo.

La naturaleza ha conseguido esta hazaña, desde luego, y varios grupos de científicos, incluido el de Kornberg, buscaron un enzima bacteriano que pudiera unir los dos extremos de la doble hebra helicoidal de ADN para que produjera un círculo completo, como un Ouroboros molecular. Esta búsqueda terminó en 1967, cuando cinco grupos descubrieron la ligasa del ADN, un enzima capaz de unir el ADN en un anillo. Al final de aquel año, Kornberg había usado la ligasa del ADN para unir los extremos del ADN del phi X 174 que había sido copiado empleando la polimerasa del ADN. Ahora el ADN duplicado podía infectar una bacteria. De esta manera Kornberg había conseguido copiar el genoma de phi X 174, circularizándolo, y usando el ADN copiado enzimáticamente para infectar a E. coli y producir múltiples copias del virus.

Aunque Kornberg sabía que había logrado esta hazaña, a rasgos generales, no sabía en qué consistía el genoma del phi X 174 en términos de su secuencia de ADN. Kornberg no se daría cuenta de lo que había «traído a la vida» hasta diez años más tarde, en 1977, cuando el equipo de Fred Sanger utilizó la polimerasa del ADN en su nuevo método de secuenciación, que aplicaron al genoma del phi X 174. No obstante, el trabajo de Kornberg causó sensación. El 14 de diciembre de 1967, la Universidad de Stanford organizó una conferencia de prensa para Kornberg que coincidiera con la publicación de su artículo en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences. Habían advertido con anterioridad a los periodistas que no caracterizaran su hazaña como «síntesis de vida», pues los virus no son seres vivos; dependen de otros organismos para multiplicarse. Pero no habían dado instrucciones a todos.

Estaba previsto que el presidente Lyndon B. Johnson hablara aquel mismo día en la Institución Smithsoniana para celebrar el doscientos aniversario de la Encyclopædia Britannica,[107] y su redactor del discurso había pedido a Stanford un párrafo sobre el trabajo en el ADN. Se lo facilitaron, pero cuando Johnson empezó a leer el discurso preparado, de repente lo dejó de lado y no pudo contener su excitación al contar a su audiencia la noticia que estaba a punto de aparecer en primera plana:

Será uno de los relatos más importantes que hayáis leído nunca, que vuestro papá haya leído nunca, o que vuestro abuelo haya leído nunca… Estos hombres han revelado un secreto fundamental de la vida. Es una hazaña pasmosa. Abre una amplia puerta a nuevos descubrimientos para luchar contra las enfermedades, para establecer una vida mucho más saludable para todos los seres humanos. Podría ser el primer paso (dicen estos grandes genios de los laboratorios) hacia el futuro control de determinados tipos de cáncer.

El presidente también reflexionó sobre la cuestión de que un gobierno «decretara la vida», cuando un estado poseyera poderes que antaño se pensaba que eran sólo incumbencia de la naturaleza, o incluso de un dios: «Este será uno de los grandes problemas, una de las grandes decisiones. Si pensáis acerca de algunas de las decisiones que el actual presidente está tomando…[*] será como una clase de párvulos en comparación con las decisiones que algún presidente futuro tendrá que tomar». Después de este discurso, no ha de extrañar que aparecieran en todo el mundo titulares que anunciaban el nacimiento de la primera vida sintética.[108]

Tuve la fortuna de conocer la cita del «secreto de la vida» algunas décadas después, mientras Joe Palca, el corresponsal científico, me entrevistaba para la National Public Radio después de nuestro anuncio de la primera célula sintética, en 2010. (Aquello que el presidente Johnson había celebrado como el relato más importante para las generaciones me había pasado por alto cuando la noticia apareció por vez primera, porque yo estaba sirviendo en Da Nang, Vietnam, como soldado en la Marina). Pensé que la anécdota era un hallazgo encantador y una buena ilustración de la continuidad del pensamiento científico, en este caso el objetivo de comprender en último término la vida al recrearla, y la dificultad siempre presente de cómo transmitir al público la excitación genuina de la ciencia sin exagerar ni recurrir al bombo publicitario. Una vez conocí a Kornberg a través de mi director de tesis doctoral, Nathan («Nate») O. Kaplan. Me pregunto qué hubiera pensado Kornberg de los notables avances en genómica que se produjeron como resultado de sus primeros experimentos.

Los trabajos para recrear virus de ADN utilizando el genoma vírico original como plantilla se extenderían posteriormente a virus más primitivos con un código de ARN, como el poliovirus, y los retrovirus, como el VIH, que también tienen código de ARN pero que se duplican en una célula patrón utilizando un enzima que convierte el ARN en ADN. El descubrimiento en 1970 de este enzima, la transcriptasa inversa, se produjo como resultado de investigaciones en el ARN de virus tumorales y cambió de manera espectacular el dogma central de que «el ADN produce ARN produce proteína». Por su descubrimiento independiente de la transcriptasa inversa, Howard Martin Temin, de la Universidad de Wisconsin, en Madison, y David Baltimore, del Instituto de Tecnología de Massachusetts, compartieron el premio Nobel de Fisiología o Medicina de 1975.

Entre los virus de ARN están los bacteriófagos; uno de ellos, el fago Qbeta, fue el primero en ser recreado mediante transcriptasa inversa en el laboratorio. Este intento fue la culminación de un notable trabajo realizado por el biólogo molecular suizo Charles Weissmann, que quizá es más conocido por su investigación sobre priones en la Universidad de Zúrich, y por fabricar la proteína interferón utilizando la tecnología del ADN recombinante en 1980, unos pocos años antes de la fundación de la primera compañía biotecnológica, Genentech.[109] Los primeros intentos de Weissmann para secuenciar ARN con Martin Billeter, en 1969,[110] inspirarían a Fred Sanger.[111] Después, trabajando con Richard Flavell, Weissmann abriría la puerta, en 1974, a lo que vino en llamarse «genética inversa», en la que se estudian los efectos de alterar el código genético de un organismo, en oposición a la genética clásica, en la que se identifica un organismo mutante y después se sigue la pista de la mutación del ADN que es responsable.

El progreso en la capacidad de copiar virus de ADN se produjo también en 1974, cuando Weissmann, junto con Tadatsugu Taniguchi, consiguió generar una copia complementaria de doble hebra de ADN (cADN) del ARN del Qbeta, que integraron dentro de un vector plásmido. Ante «la sorpresa y el deleite» de Weissmann, cuando lo implantaron en E. coli, el plásmido dio origen al fago infeccioso Qbeta. Era la primera vez que se conseguía tal hazaña.[112] La capacidad de producir cADN vírico permitiría las manipulaciones genéticas que no podían realizarse al nivel del ARN, de manera que la tecnología del ADN recombinante podía aplicarse a virus de ARN. Unos años después, Vincent Racaniello y David Baltimore repitieron este experimento en el MIT utilizando ARN purificado de poliovirus y células cancerosas humanas: también ellos obtuvieron partículas víricas auténticas.[113] Desde este trabajo, se ha informado del código genético de miembros de casi todas las familias de virus, entre ellos el de la hepatitis C,[114] la rabia, el virus sincicial respiratorio, la gripe A, el sarampión, el Ébola, el bunyavirus y el virus de la gripe responsable de la pandemia de 1918.[115]

La transcriptasa inversa y la polimerasa del ADN contribuyeron asimismo a mejorar los métodos utilizados para leer el código genético. La transcriptasa inversa se emplea de forma rutinaria para crear clones de cADN a partir de mARN, lo que permite secuenciar el ADN de genes expresados. Este es el método que yo usé con mi aproximación de marcadores de secuencia expresada (EST). Desde el phi X 174 de Sanger hasta H. influenzae, y después hasta el genoma humano, las polimerasas del ADN han desempeñado un papel fundamental en la secuenciación del ADN. Para leer los tres mil millones de bases del genoma humano, mi equipo desarrolló el método de secuenciación por disparo o por fuerza bruta de todo el genoma, que se basaba en romper genomas en fragmentos pequeños que podían ser leídos fácilmente por las máquinas de secuenciar el ADN. En 1999 hacían falta nueve meses para leer y juntar veinticinco millones de lecturas de secuencias individuales en un genoma humano completo. En la actualidad, la secuenciación de ADN ha avanzado hasta un grado notable, pues ha surgido una enorme cantidad de nuevas tecnologías que permiten que aparatos únicos de poyata secuencien un genoma humano en un día.

Después de terminar de secuenciar el genoma humano en la compañía Celera, mis propios esfuerzos se dedicaron de nuevo a investigar los elementos necesarios para la vida mínima y a nuevos trabajos en genómica sintética. Ham Smith dejó Celera para unirse a mí, y para financiar este proyecto preparamos conjuntamente una solicitud de subvención para el Ministerio de Energía. El DOE[*] impulsaba un programa denominado Genomas para la vida, que había evolucionado a partir de su proyecto del genoma humano. Ya antes, el DOE había financiado la secuenciación por parte de mi equipo de algunos de los primeros genomas que se completaron, entre ellos los de M. genitalium y Methanococcus jannaschii. Finalmente, el DOE nos proporcionaría cinco millones de dólares anuales a lo largo de un período de cinco años, un gran inicio que haría posible que exploráramos dos áreas nuevas que creíamos que presentaban oportunidades excitantes.

La primera sería una extensión radical de mi trabajo inicial de secuenciación de genomas, que habría de conocerse con el nombre de metagenómica. En lugar de centrarse en una especie particular, procuraríamos obtener una instantánea genética de toda la diversidad microbiana de un ambiente, como el océano o el tubo digestivo humano. Muchos de mis colegas dudaban que secuenciar por disparo todos los organismos en una muestra de agua funcionara, porque tratábamos con una sopa que contenía un número enorme de especies diferentes. El escepticismo surgió debido a que el complejo proceso implicaría secuenciar simultáneamente los miles de genomas presentes en una muestra, y luego usar el ordenador para reconectar y ensamblar entre sí solo los fragmentos correctos, como habíamos hecho con el genoma humano. Yo confiaba en que el código genético fuera lo suficientemente único para cada especie como para permitir su reconstitución en el ordenador a partir de una compleja mezcla de secuencias no relacionadas.

Mi nuevo método de secuenciación ambiental por fuerza bruta resultó tener un gran éxito. Empezamos con muestras de agua del mar de los Sargazos alrededor de las Bermudas, que por aquella época era considerado por muchos como un «desierto» oceánico, debido a la falta de nutrientes disponibles. En este mar «estéril» encontramos, sólo en una muestra, alrededor de 1,2 millones de genes previamente desconocidos, y al menos 1800 especies.[116] El agua pobre en nutrientes estaba llena de vida porque la energía de los organismos deriva directamente de la luz solar. Descubrimos que además de la fotosíntesis, casi todos los microorganismos en las capas superficiales del océano poseen una proteína sensible a la luz, una rodopsina, que es un fotorreceptor similar al que tenemos en nuestros ojos. En nuestro trabajo de tomar muestras del océano cada doscientas millas, como parte de la expedición del Sorcerer II, que ha cubierto más de sesenta mil millas en el mar a lo largo de los últimos seis años, hemos descubierto unos ochenta millones de genes. Lo que antaño se pensaba que eran especies únicas se sabe ahora que son grupos de miles de organismos estrechamente emparentados. A partir de numerosos estudios hemos estimado que existen del orden de 10³⁰ organismos unicelulares y 10³¹ virus en los océanos. Esto supone un billón de billones de organismos por cada ser humano del planeta.

La segunda línea de investigación que el DOE financió nos permitió iniciar de nuevo el camino hacia la primera creación de vida sintética. Clyde Hutchison, a partir de su trabajo inicial con Robert Sinsheimer y Fred Sanger, había sugerido que el bacteriófago phi X 174 fuera un proyecto de prueba. Había diversas razones por las que era un objetivo atractivo. El bacteriófago tiene un genoma pequeño, y phi X 174 no puede tolerar muchos cambios genéticos, de modo que también sería un buen ensayo de la precisión de la síntesis. Asimismo, había gran cantidad de información sobre el virus, gracias a los trabajos de Kornberg, Sanger y, desde luego, Sinsheimer, al que Max Delbrück había animado a estudiar fagos y que, de manera comprensible, había elegido uno de los más pequeños que pudo encontrar.[117]

Para ensayar un enfoque simple de síntesis, en 1997 hicimos nuestro primer intento de sintetizar el genoma del phi X 174 a partir de una serie de oligonucleótidos superpuestos de cincuenta pares de bases, seguidos de una reacción en cadena de la polimerasa para producir copias del genoma. Inicialmente, parecía que nuestro experimento había funcionado. El cuaderno de notas de laboratorio de Clyde Hutchison registraba que el 22 de abril habíamos producido moléculas de ADN del tamaño adecuado, correspondientes a todo el genoma del phi X 174. He aquí la pregunta clave: ¿era la síntesis lo bastante precisa para producir el virus? Nuestro plan era utilizar el ADN sintético para infectar a E. coli. Si el ADN no contenía errores letales, la bacteria produciría las proteínas codificadas que se autoensamblarían para producir más copias del virus phi X 174. Lamentablemente, nuestro genoma sintético no tuvo efecto alguno. Sabíamos que la síntesis de ADN era propensa a los errores, pero nuestra esperanza era que con este proceso de selección por infección podríamos encontrar la hebra de ADN entre un millón que tuviera la secuencia correcta. Tal esperanza se desvaneció cuando empezamos a entender las implicaciones de nuestro fracaso. Incluso para un virus pequeño, la capacidad para sintetizar ADN con exactitud iba a ser una tarea mucho más exigente de lo que habíamos imaginado, y no digamos ya la empresa mucho mayor de construir un genoma bacteriano completo para producir una célula viva. Como equipo planteamos la estrategia de cómo proceder y sopesamos la cuestión mayor de si nuestro objetivo último de vida sintética era siquiera posible. Sin embargo, la oportunidad de secuenciar el genoma humano habría de posponer durante algunos años varias de estas consideraciones críticas. Pero cuando volvimos al reto del genoma sintético, como consecuencia de nuestro triunfo con la secuenciación del genoma humano, estábamos determinados a conseguir el éxito.

Nuestros intentos iniciales años antes para sintetizar el virus phi X 174 habían fracasado claramente debido a errores que ocurren de manera inevitable durante la síntesis de oligonucleótidos. Si los sintetizadores automáticos de ADN fueran capaces de producir oligos[*] puros, libres de errores, de las secuencias preprogramadas, entonces el ensamblaje de las largas moléculas de doble hebra de ADN sería relativamente directo. Pero, en realidad, sólo alrededor de la mitad de las moléculas sintetizadas tienen la longitud correcta de la cadena; el resto son en su mayor parte moléculas truncadas. La razón usual por la que son más cortas de lo esperado es que los sintetizadores tendrán una base que no se incorpora; este es el llamado problema N-1. Estas moléculas incorrectas o bien detienen el ensamblaje de los oligonucleótidos, o bien resultan en ADN ensamblado con errores en el código genético.

Hicimos un cálculo sencillo para descubrir por qué no habíamos tenido éxito. Puesto que por término medio sólo una de cada dos moléculas utilizadas para ensamblar el ADN del fago era correcta, resultó claro de modo notable (y deprimente) por qué nuestro ensamblaje había fracasado años antes. La probabilidad de que una hebra de nuestro genoma phi X 174 se ensamblara de manera totalmente correcta mediante selección aleatoria a partir de 130 oligonucleótidos no purificados era una mitad elevada a la potencia de 130: (1/2)¹³⁰, o 10⁻³⁹, una cifra en extremo pequeñísima. Calculamos que, incluso explotando la selección por infecciosidad, era esencial reducir la proporción de oligonucleótidos incorrectos hasta menos del 10% de la población, porque sólo entonces podríamos asegurar que tendríamos una posibilidad de crear suficientes moléculas correctas.

Volvimos a los aspectos básicos. En primer lugar reevaluamos el genoma que queríamos construir para estar absolutamente seguros de que empezábamos con una secuencia vírica precisa. Basamos exactamente dicha secuencia en el histórico artículo de 1978 de Fred Sanger y sus colegas. Tuvimos la suerte de que Clyde Hutchison había conservado una muestra del virus que se había secuenciado originalmente, de manera que pudimos volverlo a secuenciar con los últimos métodos para comprobar la exactitud del trabajo del equipo de Sanger. Encontramos únicamente tres diferencias del total de 5384 pares de bases, y no estaba claro si se debían a errores en la secuencia original o a variación vírica al hacer volver a crecer la muestra. Fuera cual fuese el caso, la secuencia de Sanger había resultado ser notablemente precisa, un testamento al esfuerzo de su equipo.

La exactitud de la secuencia ha sido siempre una cuestión importante en el campo de la genómica. Una porción sustancial de las primeras secuenciaciones de ADN tenían bastante menos del 99% de precisión (un error por cada cien bases). Sólo unos pocos laboratorios cumplían un estándar «elevado» (el que se estableció para el genoma humano) de un error por cada diez mil bases. El patrón para escribir el código genético es órdenes de magnitud mayor que los patrones normales para leer el equipo lógico del ADN. Debido a que las secuencias de ADN digitalizado habrán de ser la base del diseño y síntesis del genoma, la secuencia en la que se basan tiene que ser extraordinariamente precisa si es que han de conducir a la vida. (Más tarde descubriríamos que un único «error de deletreo» —la supresión únicamente de una base— del total de 1,1 millones de letras del código genético significaba la diferencia entre la vida y la muerte, cuando se trataba de crear la primera célula sintética).

Desde el trabajo de Sinsheimer hemos sabido que el genoma del phi X 174 tiene que ser circular para ser infeccioso.[118] Para crear sintéticamente un genoma circular funcional, descompusimos el problema en varias fases. Empezamos con la secuencia de ADN en un fichero informático y después dividimos el genoma en fragmentos superpuestos que eran lo bastante pequeños para producirlos con un sintetizador de ADN. Para sintetizar el fago, diseñamos 259 oligos, cada uno de cuarenta y dos bases de longitud, que cubrían su genoma de manera superpuesta. La hebra superior del genoma estaría formada por 130 oligos, y otros 129 formarían la hebra inferior. Puesto que el genoma del phi X 174 consta de 5384 pares de bases, el diseño había de tener también en cuenta las regiones de superposición entre los cuarenta y dos fragmentos de bases (que llamamos cuarenta-y-dos-meros, del griego meros, o «parte», en referencia a cada base), así como secuencias adicionales que añadimos a cada extremo del genoma para duplicar un sitio de restricción que sólo se hallaba una vez en el genoma, donde el enzima de restricción PstI podía cortar el ADN para crear extremos superpuestos que se unirían entre sí, lo que haría que el ADN formara un círculo.

Sabiendo que sólo la mitad de los fragmentos cuarenta-y-dos-meros de ADN sintetizado tendrían la longitud correcta, razonamos que simplemente purificando los oligonucleótidos podríamos aumentar mucho la precisión del ensamblaje. Los geles de secuenciación del ADN seleccionan moléculas de ADN de longitudes diferentes y pueden distinguir moléculas con sólo un nucleótido de diferencia. En el proceso, denominado electroforesis en gel, las moléculas de ácido nucleico cargadas negativamente se desplazan por un gel de agarosa bajo la influencia de un campo eléctrico. Los oligos truncados son más pequeños y, como resultado, se desplazan más deprisa que los oligos de tamaño correcto. Mediante el sencillo método de cortar el gel con una hoja de afeitar pudimos aislar la banda de tamaño correcto que queríamos usar para ensamblar las hebras superior e inferior del phi X 174.

Ahora teníamos los componentes para construir el genoma del fago en forma de hebras purificadas de oligos. Después combinamos los oligos superior e inferior que, debido al diseño superpuesto, se alinearon en el orden adecuado, de nuevo como si fueran piezas de Lego que se autoensamblaran. A continuación unimos los fragmentos de forma permanente con el enzima ligasa del ADN. En lugar de emplear el mismo enzima que Kornberg, escogimos un enzima ligasa más robusto, procedente de un organismo propio de temperaturas elevadas, para que fuera activo por períodos prolongados. Después de permitir que la combinación de oligos reaccionara durante dieciocho horas a cincuenta y cinco grados centígrados, pasamos de las 42 bases de los oligos a conjuntos con tamaños medios de alrededor de setecientas bases, con algunos fragmentos que medían de dos mil a tres mil bases.

Generamos toda la secuencia del genoma del phi X 174 a partir de estos fragmentos de ADN más largos, empleando un método llamado ensamblaje cíclico de la polimerasa, o PCA, una variante de la reacción en cadena de la polimerasa (PCR), un método de amplificación del ADN usado de manera general. Con la PCR podemos amplificar cantidades mínimas de ADN al calentar la muestra, de manera que el ADN se desnaturaliza o se disuelve, lo que separa el ADN de doble hebra en dos fragmentos de ADN de una sola hebra. A continuación, la polimerasa Taq, que es termoestable, produce dos nuevas hebras de ADN, utilizando como plantillas las hebras originales. Esto duplica el ADN original, de modo que cada nueva molécula contiene una hebra antigua y una hebra nueva de ADN. Después, cada una de estas hebras puede usarse para crear dos copias nuevas, y así sucesivamente.

En la variante de este proceso conocida como PCA, empezamos con todos los fragmentos mayores de ADN a partir de nuestra primera fase de ensamblaje (que en promedio tiene setecientos pares de bases). De nuevo desnaturalizamos el ADN de doble hebra en hebras únicas. En lugar de copiar las hebras únicas con la polimerasa del ADN, dejamos que la reacción se enfríe, de modo que las hebras únicas se recuezan con cualesquiera hebras complementarias, explotando la manera en que las bases complementarias se emparejan siempre. La razón por la que esto funciona es que a menudo dos hebras de ADN se superponen sólo en un extremo, como si alineáramos sólo el primer segmento de nuestros dedos índice, con lo que se crea una molécula mucho más larga. Después introducimos en cada extremo las bases que faltan utilizando la polimerasa del ADN, que transforma el ADN de una sola hebra en ADN de dos hebras. Ciclando repetidamente, podemos construir un fragmento de ADN de varios miles de pares de bases de longitud, y hacerlo con una relativa rapidez. Los ciclos continúan hasta que, a partir de las asociaciones aleatorias, las moléculas crecen hasta cubrir todo el genoma. Finalmente, se usa una reacción en cadena de la polimerasa típica para amplificar toda la secuencia del genoma. Para unir de nuevo los extremos de estos genomas lineales del fago en un círculo infeccioso, se cortaron las moléculas amplificadas con el enzima PstI, para dejar secuencias terminales que se pegaran entre sí, formando el círculo.

Ahora llegaba la prueba importante para ver si habíamos conseguido crear un genoma sintético exacto e infeccioso. Para que se produzca un virus infeccioso, el ADN sintético tiene que ser reconocido por los sistemas enzimáticos de las células de E. coli, primero al ser transcrito en mARN y después en las proteínas víricas por la maquinaria de síntesis proteínica de E. coli. Para asegurarnos de que nuestro ADN sintético era capaz de penetrar en la bacteria patrón diana de E. coli, utilizamos un método denominado electroporación, en el que un campo eléctrico perfora diminutos agujeros temporales en la pared celular de E. coli. Después de ser infectadas con el phi X 174 sintético, las E. coli se extendieron sobre agar, una mezcla gelatinosa de agarosa y agaropectina, en una placa de Petri, y se incubaron a treinta y siete grados centígrados entre seis y dieciocho horas.

Podríamos determinar si la nueva estrategia había funcionado si había una calva (un círculo claro revelador) en el césped de E. coli. Esto indicaría que se habían producido con éxito las proteínas víricas en las bacterias y que se habían autoensamblado para producir suficientes copias del virus phi X 174, que harían que las células patrón reventaran, liberaran los virus y en el proceso infectaran las células de E. coli circundantes. Después de abrir la incubadora, Ham me telefoneó para pedirme que me dirigiera al laboratorio tan pronto como pudiera. Cuando me mostró la primera placa me sentí muy satisfecho: había calvas evidentes en toda la placa. El ADN sintético del bacteriófago poseía realmente la capacidad de infectar, reproducirse y después matar las células bacterianas. Ham y Clyde estaban aturdidos por la emoción. Todo el proceso de crear el genoma sintético e infectar las células nos había ocupado sólo dos semanas.

Para poner en contexto nuestro logro, Eckard Wimmer, de la Universidad Estatal de Nueva York, en Stony Brook, había informado el año anterior de un esfuerzo más heroico de crear un virus parcialmente viable utilizando un proceso escalonado. Su equipo había tardado tres años para producir el primer ARN vírico sintético mediante el ensamblaje del genoma del poliovirus, de siete mil bases, a partir de pequeños oligos de ADN sintético guiados por la secuencia que Wimmer y sus colegas anunciaron en 1981. El ADN sintético era convertido en ARN vírico infeccioso mediante la utilización del enzima transcriptasa del ARN. Este primer virus de la polio con ARN sintético adolecía de la misma imprecisión de la síntesis de los oligos que había perseguido a nuestros trabajos y, como resultado, había atenuado mucho su actividad.[119] El único aspecto negativo del descubrimiento de Wimmer fue que decidió publicarlo más como una advertencia a la comunidad científica que como un resultado científico claro, lo que generó polémica y preocupación pública.

Inmediatamente después del trabajo de Wimmer, redujimos el tiempo requerido para crear un virus desde años a días. Puesto que este trabajo había sido financiado por el DOE, contacté con el Ministerio para notificar nuestro éxito al gobierno. La respuesta oficial fue rápida, tal como expliqué en mi biografía, La vida descodificada:

Al día siguiente me encontraba yo sentado en un restaurante a unas pocas manzanas del Despacho Oval, en la Avenida Pensilvania, donde me había convocado sólo dos horas antes para una reunión urgente a la hora del almuerzo Ari Patrinos, que trabajaba en la dirección de biología del Ministerio de Energía, que había financiado la investigación, y que también había desempeñado un papel importante en el anuncio conjunto del primer genoma humano en la Casa Blanca. Entre los que se unieron a nosotros estaban su jefe, Raymond Lee Orbach, director de la Oficina de Ciencia del DOE; John H. Marburger III, el asesor científico del presidente y director de la Oficina de Política Científica y Tecnológica, y Lawrence Kerr, director de Bioterrorismo, Investigación y Desarrollo de la Oficina de Seguridad Nacional en la Casa Blanca. Como consecuencia del envío postal de esporas de carbunco[*] a personajes públicos en octubre de 2001, que mató a cinco personas, el gobierno de Estados Unidos había invertido mucho para prepararse para futuros actos de bioterrorismo.[120]

Les expliqué lo rápidamente que habíamos creado el phi X 174 con nuestro método de corrección de error, y que ahora podríamos hacerlo fácilmente incluso de manera más célere. Kerr se mostró aprensivo, y las cuestiones planteadas por ser capaces de crear virus sintéticos acabaron por llegar hasta la Casa Blanca, para tener una decisión sobre restricciones potenciales a la publicación de nuestros resultados.

Aproximadamente una década antes, yo había apremiado al gobierno para que revisara la misma cuestión, cuando a mi equipo, que entonces estaba en los NIH, el secretario del Ministerio de Sanidad le había pedido que secuenciara el genoma de la viruela como parte de un tratado internacional destinado a destruir las reservas que quedaban de cepas de la viruela en los Centros de Control de Enfermedades, en Atlanta, y en una instalaciones seguras de Moscú. Si hay que eliminar o no las cepas de viruela que todavía quedan ha sido uno de los debates más acalorados en la sanidad pública global de las últimas décadas. La esperanza era que, si podía secuenciarse el genoma antes de la destrucción del virus, entonces se conservaría información científica importante. La secuenciación, como se describe en detalle en La vida descodificada, se inició en mi laboratorio de los NIH y se terminó en TIGR. Al analizar el genoma, nos preocuparon varias cuestiones.

La primera era si el gobierno querría o debería dejarnos publicar nuestra secuenciación y nuestro análisis. Era comprensible nuestra inquietud a la hora de liberar este conocimiento: este virus ha matado a millones y millones de humanos. Antes de la epidemia de VIH, el virus variola de la viruela había sido responsable de la pérdida de más vidas humanas a lo largo de la historia que todos los demás agentes infecciosos combinados. Se cree que la viruela se originó hace unos tres mil años en la India o Egipto, y apareció en epidemias repetidas que se extendieron por continentes enteros, y que mataron hasta el 30% de los infectados, y dejaron desfigurados y ciegos a los supervivientes. Se cree asimismo que la viruela eliminó una fracción importante de las poblaciones nativas de las Américas, donde los colonos europeos ofrecían deliberadamente mantas infectadas a las poblaciones indígenas para difundir la enfermedad.[121] Al haber reclamado también las vidas de reyes, reinas, zares y emperadores, la viruela alteró el curso de la historia.[122]

Finalmente me encontré en los Institutos Nacionales de Salud, en Bethesda, con la directora, Bernadine Healy (quien murió de un tumor cerebral en 2011), junto con funcionarios del gobierno de diversas agencias, entre ellas el Ministerio de Defensa. El grupo estaba comprensiblemente muy preocupado por la publicación en abierto de los datos del genoma de la viruela. Algunas de las propuestas más extremas incluían hacer que mi investigación fuera secreta y crear una verja de seguridad alrededor del edificio de mi nuevo instituto. Es una lástima que la discusión no avanzara hasta desarrollar una estrategia a largo plazo y bien pensada. En lugar de ello, el plan de acción que se adoptó estuvo determinado por la política de la guerra fría. Como parte de un tratado con la Unión Soviética, que se había desintegrado a finales de 1990, en Rusia se secuenciaba una cepa menor de viruela, mientras que nosotros secuenciábamos una cepa mayor. Al enterarse de que los rusos se aprestaban a publicar sus datos del genoma, el gobierno me apremió para que acelerara nuestro estudio hasta completarlo, para que se publicara primero, lo que dio fin a cualquier discusión inteligente.

A diferencia de la manera de pensar anterior, apropiada, sobre la viruela, la Casa Blanca de Bush revisó de manera muy deliberada las implicaciones de nuestro trabajo con virus sintéticos. Después de extensas consultas e investigaciones, me complació que acabaran por decidirse por la publicación en abierto de nuestro genoma del phi X 174 sintético y de la metodología asociada. Tuvimos la suerte de que parte de los fondos para esta primera fase de nuestra investigación hubiera venido del gobierno, porque ello aseguraba que habría una rápida respuesta de los reguladores. Yo sabía que sin la discusión pública y la revisión por parte del gobierno podríamos terminar con una respuesta de política automática más impulsada por el clima de temor que siguió a los atentados del 11-S y al virus de la polio de Wimmer, que por la lógica y la razón calmadas y perspicaces. El estudio acabaría apareciendo en los Proceedings of the National Academy of Sciences el 23 de diciembre de 2003. Una condición que puso el gobierno para su publicación, y que yo aprobé, fue la creación de un comité con representantes de todo el gobierno y que se llamaría Consejo Asesor Científico Nacional de Bioseguridad (NSABB, por sus siglas en inglés), que se centraría en aquellas biotecnologías que tuvieran usos duales.

En la conferencia de prensa que se organizó en el cuartel general del Ministerio de Energía, en Washington, D. C., para discutir el artículo, el secretario de Energía, Spencer Abraham, calificó el trabajo de «nada menos que asombroso» y predijo que podría conducir a la creación de microbios diseñados preparados para habérselas con la contaminación o para absorber el exceso de dióxido de carbono, o incluso para cubrir las futuras necesidades de combustible. Este, para mí y para la sociedad, sería el premio real. Ahora teníamos la capacidad de construir genomas sintéticos que yo esperaba que producirían progresos extraordinarios en nuestra capacidad para diseñar microorganismos para muchas finalidades energéticas y ambientales. Algunos, por ejemplo, podrían usarse para transformar la luz del sol en combustible, otros para devorar contaminantes o para eliminar el dióxido de carbono de los gases emitidos por los tubos de escape.

Habíamos repetido, aunque esta vez utilizando ADN sintético, lo que Kornberg había conseguido en la década de 1960 con una copia hecha por la polimerasa del ADN del entonces desconocido genoma del phi X 174. Estos logros confirmaron que el código del ADN contenía la información necesaria y suficiente para hacer el virus: prueba mediante síntesis. Después de haber producido con precisión fragmentos de ADN de un tamaño de cinco mil bases, nos dimos cuenta de que habíamos resuelto una limitación clave en la síntesis del ADN y podíamos dar el paso siguiente. Ahora estábamos listos para intentar ir adonde nadie había ido antes, para crear todo un genoma bacteriano sintético y para intentar producir la primera célula sintética. No éramos en absoluto conscientes de que lograr esto nos tomaría otros siete años.

Sin embargo, incluso entonces reconocimos que si teníamos éxito en la capacidad de diseñar el código de la vida en el ordenador, traducirlo en equipo lógico de ADN mediante síntesis química, y poner a trabajar este código sintético para crear un nuevo organismo, esto significaba que el vitalismo estaba realmente muerto, y, como corolario, que tendríamos una imagen más clara de lo que realmente significaba el término «vida». La fusión del mundo digital de la máquina y del de la biología abriría notables posibilidades para crear nuevas especies y guiar la evolución futura. Habíamos alcanzado el punto extraordinario de hallarnos en el inicio de «efectuar todas las cosas posibles», y podíamos conseguir de forma genuina lo que Francis Bacon describió como establecer el dominio sobre la naturaleza. Sin embargo, con este gran poder llegó el deber de explicar nuestro objetivo, para que la sociedad pudiera comprenderlo, y, por encima de todo lo demás, utilizar este poder de manera responsable.

Mucho antes de que finalmente lográramos con éxito la creación de un genoma sintético, tuve mucho interés en realizar una revisión ética completa de lo que este logro pudiera representar para la ciencia y la sociedad. Estaba seguro de que algunos considerarían la creación de vida sintética como algo amenazador, incluso alarmante. Se preguntarían por las implicaciones para la humanidad, la salud y el medio ambiente. Como parte de las actividades educativas de mi instituto, organicé una serie de seminarios distinguidos en la Academia Nacional de las Ciencias, en Washington, D. C., que presentaba una gran diversidad de conferenciantes bien conocidos, desde Jared Diamond a Sydney Brenner. Debido a mi interés en las cuestiones de bioética, invité asimismo a Arthur Caplan, que entonces estaba en el Centro de Bioética de la Universidad de Pensilvania, una figura muy influyente en la asistencia médica y la ética, para que dictara una de las conferencias.

Al igual que hice con los demás conferenciantes, invité a Art Caplan a cenar después de su conferencia. Durante la comida dije algo acerca de que, dado el amplio abanico de cuestiones biomédicas contemporáneas, Caplan debía haber oído de todo en esta fase de su carrera. Me contestó que sí, que básicamente así era. ¿Había tratado el tema de crear nuevas formas de vida sintéticas en el laboratorio? Se sorprendió y admitió que no había sido en absoluto un tema del que hubiera oído hablar hasta que yo suscité la cuestión. Si yo le diera a su grupo la financiación necesaria, ¿estaría interesado en realizar dicha revisión? Art se mostró excitado por abordar el tema de la vida sintética. Acordamos a continuación que mi instituto financiaría a su departamento para que llevara a cabo una revisión completamente independiente de las implicaciones de nuestros trabajos para crear una célula sintética.

Caplan y su equipo organizaron una serie de grupos de trabajo y de entrevistas, invitando a toda una gama de expertos, líderes religiosos y personas profanas en el tema a que ofrecieran sus ideas. Fui invitado a una sesión para describir la aproximación científica que habíamos planeado y para contestar preguntas. Me encontré sentado junto a representantes de las principales religiones. Me sorprendió, y me agradó, cuando la discusión pareció sugerir que, puesto que no se podían encontrar referencias en la Biblia o en otros textos religiosos que prohibieran la creación de nuevas formas de vida, ello debía ser aceptable.

No volví a oír acerca del estudio de bioética de la Universidad de Pensilvania hasta que los resultados se publicaron en Science, en un artículo titulado «Consideraciones éticas a la hora de sintetizar un genoma mínimo», cuyos autores eran Mildred K. Cho, David Magnus, Arthur Caplan, Daniel McGee y el Grupo de Ética Genómica.[123] (Fue en el mismo número del 10 de diciembre de 1999 de Science en el que aparecía nuestro propio estudio «Mutagénesis global de transposones y un genoma mínimo de micoplasma», en el que se describía de qué modo habíamos empleado transposones para determinar qué genes eran fundamentales para la vida). Los autores alabaron nuestro trabajo como un importante paso adelante en ingeniería genética que «habría de permitir la creación de organismos (nuevos y existentes) simplemente a partir de conocer la secuencia de su genoma».

El artículo empezaba señalando de qué manera el pensamiento establecido acerca de la ética y la ley se había visto superado por los avances de la ciencia a la vista del anuncio por sorpresa de la clonación de la oveja Dolly en febrero de 1997. (Dolly no fue realmente el primer animal en ser clonado, sino el primero en serlo a partir de una célula adulta). Esta noticia supuso una conmoción entre los biólogos, porque pocos creían que fuera posible tomar una célula adulta diferenciada e invertir su reloj de desarrollo para crear una célula embrionaria que pudiera crecer de nuevo hasta devenir un animal. La oveja que donó la célula mamaria para crear a Dolly no «había surgido de entre los muertos», como algunos afirmaron.[124] Sólo sobrevivió el equipo lógico de su ADN.

Tal como yo esperaba, el equipo de Pensilvania aprovechó la oportunidad, cuando se presentó, de examinar las cuestiones planteadas por la creación de un genoma mínimo. Esto era particularmente importante, según mi opinión, porque en este caso eran los científicos implicados en la investigación básica y en concebir las ideas sobre las que este avance se fundamentaba los que habían planteado las cuestiones, y no miembros airados o alarmados del público, que protestaban por no haber sido consultados (aunque algunos grupos marginales harían esta afirmación más adelante). Los autores señalaban que, aunque la tentación para demonizar nuestro trabajo podría ser irresistible, «la comunidad científica y el público pueden empezar a comprender qué es lo que está en juego si ahora se hacen estudios para identificar la naturaleza de la ciencia implicada y para identificar exactamente cuestiones clave éticas, religiosas y metafísicas para que el debate pueda realizarse al mismo tiempo que la ciencia. La única razón para que la ética se demore en relación a esta línea de investigación es que decidamos permitir que ello ocurra».[125]

El artículo continuaba abordando un amplio abanico de cuestiones, entre ellas daños ambientales potenciales por la liberación de nuevas especies y consideraciones de la ley de patentes. Sin embargo, los informes de los medios pasaron en gran parte por alto un párrafo clave sobre asuntos de seguridad, presumiblemente porque se pensaba que la realidad de sintetizar dichos genomas quedaba muy lejos en el futuro: «Los peligros de conocer las secuencias de patógenos extremadamente perniciosos podrían suponer amenazas para la salud pública y la seguridad que podrían exceder a los beneficios. Es preocupante que los actuales métodos de regulación proporcionen poca vigilancia, si acaso proporcionan alguna, de estas tecnologías».

Atento al debate acerca de la eliminación de la viruela y de la preocupación sobre la publicación del poliovirus, y quizá anticipando en los años venideros una gran cantidad de presiones sobre la recuperación de organismos causantes de pandemias en la investigación sobre la gripe,[126] el equipo había preguntado si tendríamos que regular la ciencia, y si así fuera, en qué medida. Estas cuestiones habrían de dominar en las siguientes iteraciones de la ciencia de los genomas sintéticos.

Curiosamente, puesto que había aparecido en una revista científica, el artículo de Science dedicaba mucho espacio a considerar el impacto de la ciencia reduccionista sobre «el significado y el origen de la vida», sin ocuparse, de hecho, de la peliaguda cuestión de qué se quería decir realmente con esta palabra de cuatro letras, «vida». Los autores advertían:

Existe un serio peligro de que la identificación y síntesis de genomas mínimos sea presentada por los científicos, ilustrada en la prensa, o percibida por el público como demostración de que la vida se puede reducir al ADN o a nada más que el ADN… Esto puede amenazar la consideración de que la vida es especial. Al menos desde Aristóteles, ha existido una tradición que ve la vida como algo que es más que simplemente físico. Esto proporciona la base para creer en la interconexión de todos los seres vivos y el sentido de que los seres vivos son, de alguna manera importante, más que materia organizada.

Como si quisieran subrayar su ansiedad sobre este punto, Cho et al. centraban asimismo gran cantidad de atención sobre cuestiones religiosas: «Sorprende el hecho de que haya existido en las principales comunidades religiosas occidentales poca tendencia a plantear una definición de la vida o a describir la esencia de la vida». Por lo tanto, se dejaba a la ciencia esta responsabilidad, aunque los autores concluían que una «definición de la vida desde el punto puramente científico» era motivo de preocupación.

Quizá la cuestión más apremiante, según el equipo de Pensilvania, era «si esta investigación constituye una intrusión injustificada en asuntos que es mejor dejar a la naturaleza». Una conclusión importante del estudio (y, para mí, tranquilizadora) repetía lo que ya había oído en algunas de las primeras consultas: que «la opinión [religiosa] dominante es que aunque hay razones para la cautela, no hay nada en el programa de investigación destinado a crear un genoma mínimo que esté automáticamente prohibido por consideraciones religiosas legítimas».

Pero esto no quería decir que las consideraciones religiosas fueran irrelevantes. En un extremo estaba la idea de que nuestro trabajo señalaba el progreso para la humanidad. En el otro, la opinión de que era sólo el ejemplo más reciente de arrogancia científica, arrogancia que habría de conducir inevitablemente a la catástrofe, tema que había sido explorado una y otra vez en la literatura popular, desde el monstruo del Frankenstein de Mary Shelley hasta el pueblo bestia de La isla del doctor Moreau, de H. G. Wells, y hasta los dinosaurios resucitados de Jurassic Park de Michael Crichton.

Fue esta misma cuestión la que, once años más tarde, dominaría la respuesta de la prensa a nuestro anuncio de la primera célula sintética, cuando un coro de preguntas siguió una línea de pensamiento: ¿no estaríamos «jugando a ser Dios?». De manera sensata, el informe de Pensilvania indicaba que esta objeción se había convertido en una manera de impedir, en lugar de fomentar, la discusión acerca de la manipulación moralmente responsable de la vida. Señalaba que era posible establecer un equilibrio entre la visión pesimista de estos estudios como un ejemplo más de la arrogancia y la visión optimista de que eran equivalentes a «progreso humano». Los autores añadían que un «buen administrador» haría avanzar la investigación sobre el genoma con cautela, armado con ideas procedentes de las tradiciones de valor con respecto a los objetivos y los usos propios del nuevo saber. Llegaban a la conclusión de que no había razones éticas importantes que pudieran impedir que el equipo continuara las investigaciones en este campo mientras siguiera participando en discusiones públicas; que es lo que hacemos.

6

Primer genoma sintético

Las máquinas actuales son a las futuras lo mismo que los primeros saurios son al hombre.

SAMUEL BUTLER, 1872[127]

Las indagaciones para manipular la vida en el laboratorio han recorrido un largo camino desde los primeros días del ADN recombinante, en la década de 1970, cuando Paul Berg, Herbert Boyer y Stanley Cohen empezaron a cortar y empalmar ADN. Al final de aquella década, una cepa de laboratorio de E. coli había sido alterada genéticamente para proporcionar insulina humana. Desde entonces, los científicos han inducido a bacterias a producir factores de coagulación humanos para tratar la hemofilia y a hacer hormona de crecimiento para tratar el enanismo. En agricultura, se ha alterado el ADN para obtener plantas resistentes a la sequía, a las plagas, a los herbicidas y a los virus; para aumentar su rendimiento y su valor nutritivo; para fabricar plásticos;[128] y para reducir el uso de fertilizantes basados en los combustibles fósiles. Se han alterado genes animales con el intento de aumentar la producción, de proporcionar modelos de enfermedades humanas, de elaborar sustancias químicas tales como anticoagulantes, y para producir leche «humanizada», y órganos de cerdos que puedan ser trasplantados a personas. Se han usado células genéticamente modificadas para fabricar proteínas, desde anticuerpos a eritropoyetina que aumenta la producción de glóbulos rojos de la sangre. Algunos pacientes han sido alterados genéticamente mediante terapia génica, en la que se emplea un «parche» de equipo lógico para tratar trastornos genéticos tales como la deficiencia inmune, la ceguera y la condición sanguínea heredada conocida como beta-talasemia.

La ingeniería genética ha evolucionado en la actualidad y se la conoce de manera más general como biología sintética. La distinción entre biología molecular y biología sintética es confusa, y en la mayoría de usos no hay una distinción real. «Biología sintética», simplemente, parece más atractivo, y de la misma manera, «biología de sistemas» ha sustituido a la fisiología, y a algunos buenos químicos de la vieja escuela les gusta recalificar de nanotecnología a sus trabajos.[*] Sea como fuere que se la llame, en todo el mundo gran número de científicos están trabajando en ingeniería genética al mezclar la biología con enfoques ingenieriles.

Los logros recientes son demasiado numerosos para listarlos en detalle, pero he aquí algunos ejemplos de avances en ingeniería genética. La pieza maestra de los laboratorios de biología molecular, E. coli, fue minimizada parcialmente (se le eliminó el 15% de su ADN) por Frederick Blattner, de la Universidad de Wisconsin, en 2002,[129] en un intento de convertirla en un chasis más fiable para la producción industrial. En Harvard, el laboratorio de George Church desarrolló un método llamado MAGE[*] (Ingeniería Genómica Automática y Multiplex) para sustituir un codón en treinta y dos cepas de E. coli, y después planeó inducir a estas cepas parcialmente editadas a lo largo de una ruta evolutiva hacia una única línea unicelular en la que la mayoría de casos del codón habían sido sustituidos.[130] En el laboratorio de Christopher Voigt, en el MIT, se ha ensamblado un complicado circuito genético que, si se instala en una bacteria, podría, por ejemplo, permitirle sentir cuatro indicadores diferentes de cáncer y, en presencia de los cuatro, liberar un factor que elimine el tumor.[131] Su colega, Timothy Lu, ha desarrollado módulos de ADN que pueden realizar operaciones lógicas, de manera que células programables con capacidades de toma de decisiones podrían adaptarse a aplicaciones múltiples.[132] Inevitablemente, a medida que la tecnología avanza, los objetivos se hacen más ambiciosos, lo que permite abordar nuevas cuestiones que, a su vez, resultan en nuevos desarrollos tecnológicos.

El trabajo que nos proponíamos hacer para sintetizar el genoma de una célula viva con el fin de comprender los genes que eran necesarios para la vida requeriría avances sustanciales. Para estar a la altura de este desafío necesitábamos echar mano de una diversa gama de habilidades, como habíamos hecho antes, y con éxito, con la secuenciación del genoma humano; en la ciencia moderna, el éxito depende cada vez más del buen trabajo en equipo.[133] Con el fin de crear una célula sintética iniciamos tres programas importantes. Sobre la base de nuestro trabajo con el phi X 174, todos supusimos que la síntesis de ADN era el área que precisaba de una mayor atención si acaso queríamos tener éxito. Por lo tanto, el primer equipo, el equipo del ADN sintético, tenía la tarea de sintetizar todo el cromosoma bacteriano. Este grupo estaba dirigido por Ham Smith e incluía a Daniel G. Gibson, Gwynedd A. Benders, Cynthia Andrews-Pfannkoch, Evgeniya A. Denisova, Holly Baden-Tillson, Jayshree Zaveri, Timothy B. Stockwell, Anushka Brownley, David W. Thomas, Mikkel A. Algire, Chuck Merryman, Lei Young, Vladimir N. Noskov, John I. Glass y Clyde A. Hutchison III. Yo estaba seguro de que la química era resoluble, y me preocupaba mucho más la biología. ¿Podríamos trasplantar y hacer arrancar un genoma sintético si conseguíamos sintetizar uno, y podríamos hacer algo más que comprender qué genes serían ser esenciales para la vida mínima? Por ello, los equipos segundo y tercero se centraban en la biología. El equipo de trasplante del genoma lo dirigía John I. Glass e incluía a Carole Lartigue, Nina Alperovich, Rembert Pieper y Prashanth P. Parmar. El equipo del gen mínimo lo dirigían John I. Glass y Clyde A. Hutchison, e incluía a Nacyra Assad-Garcia, Nina Alperovich, Shibu Yooseph, Matthew R. Lewis y Mahir Maruf. Aunque había superposiciones en los tres equipos, los tres estaban intensamente centrados en su área. Ham, Clyde y yo éramos los líderes del proyecto global, y cuando se estableció el Instituto Venter, en La Jolla, y Ham y Clyde viajaron al oeste, John Glass desempeñó un amplio liderazgo en Rockville.

Nuestro plan era sintetizar el menor genoma conocido que puede constituir una célula viva y autorreplicante, M. genitalium. Pensábamos que la síntesis de ADN sería el reto mayor y que nos proporcionaría los medios de reducir todavía más el pequeño genoma, con el fin de comprender y disecar el conjunto de instrucciones genéticas de una sola célula, de modo que pudiéramos ver y entender la dotación mínima de genes para la vida. Para la síntesis del genoma dividimos el genoma de M. genitalium en 101 segmentos que llamamos «cartuchos», cada uno de ellos de un tamaño aproximado al del genoma del phi X 174. Sabíamos que podíamos hacer de manera precisa ADN sintético en segmentos de cinco mil a siete mil pares de bases, y nuestro plan era encontrar una manera de combinarlos para reconstruir el genoma de M. genitalium. El genoma de 582 970 pares de bases de M. genitalium era veinte veces mayor que cualquiera de los que se habían sintetizado hasta entonces. Antes de este proyecto, los mayores constructos sintéticos de ADN incluían dos virus pequeños y el «grupo de genes policétidos» de 32 000 pares de bases. (Los policétidos son sustancias químicas anulares que producen de manera natural las bacterias, hongos, plantas y animales marinos para matar a sus depredadores, y que han sido usadas como base para muchas medicinas, notablemente antibióticos y agentes anticancerígenos).[134]

Por lo tanto, necesitábamos desarrollar un nuevo conjunto de herramientas para la síntesis fiable de moléculas de ADN grandes. El desarrollo de herramientas y técnicas está en el meollo del progreso científico, pero en mi opinión, los estándares científicos elevados son igual de esenciales. A menudo he descrito el trabajo de laboratorio en genómica como un proceso de «basura que entra y basura que sale», al igual que la informática, en el sentido de que si en cada paso del camino no se ejerce una diligencia extrema, el resultado final será, en el mejor de los casos, un producto de calidad inferior. Cuando secuenciamos los primeros genomas en la década de 1990, encontramos que si nuestras bibliotecas de ADN (que contienen pequeños fragmentos del genoma) no eran de la mayor calidad, y no representaban una verdadera distribución aleatoria de todo el ADN de un genoma de interés, entonces era muy improbable que un ordenador pudiera usar las secuencias generadas a partir de estas muestras de bibliotecas para reconstruir la secuencia del genoma. Lo mismo era de aplicación a la calidad del ADN usado para secuenciar, a la pureza de los reactivos, y a la reproducibilidad de las técnicas. Todo tenía que ser de la mayor calidad. Mis equipos prestaron una atención particular a estos aspectos básicos, y como resultado fuimos capaces de generar de manera consistente datos de secuencias de ADN de muy alta calidad.

Sin embargo, tal como se discutió en el capítulo 5, la calidad de los datos de la secuencia de ADN necesaria para leer el código genético es mucho menor que la que se requiere para escribir un código que soporte la vida. El objetivo que la comunidad del genoma había establecido para lo primero era de menos de un error por cada diez mil pares de bases. Aunque esto puede parecer una tasa de error baja, si utilizábamos el estándar ello suponía que tendríamos del orden de sesenta errores en el genoma de M. genitalium y más de sesenta mil errores en el genoma humano. Era evidente que datos tan comprometidos no era probable que soportaran la vida, y era obvio que no podrían proporcionar una información de secuencia de la calidad suficiente para la diagnosis precisa de los cambios genéticos humanos asociados con enfermedades. Un gen humano típico podía extenderse sobre miles a millones de pares de bases, de manera que las tasas de error actuales supondrían múltiples errores de secuencia por gen. Para poner todo esto en contexto, un único error en un gen puede causar una enfermedad grave, como el trastorno de la sangre llamado anemia falciforme. Por la misma razón, era improbable que esta tasa de error fuera lo bastante baja para la reconstrucción de un genoma para crear una célula viva.

Estos hechos sencillos se suelen pasar por alto en las discusiones fantasiosas acerca de revivir especies extinguidas a partir de sus genomas secuenciados. Ya fuera inspirada por los grandes progresos en paleogenómica, la secuenciación que Svante Pääbo hizo del genoma de los neandertales,[135] o la secuenciación del ADN de mamuts en la Universidad Estatal de Pensilvania,[136] la especulación de los periodistas se dirige siempre a la contemplación febril de la resurrección de especies.[137] He leído demasiados artículos que discuten alegremente la reconstrucción de un neandertal o de un mamut con ayuda de la clonación, aunque las secuencias de ADN que se han obtenido para cada uno de ellos están muy fragmentadas, no cubren todo el genoma y (como resultado de hallarse tan degradadas) son sustancialmente menos precisas que las que se obtienen de manera rutinaria a partir de ADN fresco.

Sin embargo, leer el ADN de los neandertales ha sido un maravilloso avance científico que nos ha ilustrado mucho acerca de nuestra propia evolución, al revelar que el entrecruzamiento de algunos antepasados de los humanos modernos con nuestros primos neandertales nos ha dejado una herencia del 3 al 4% de su genoma originado en los neandertales.

Con el fin de sintetizar el genoma de M. genitalium, necesitábamos una secuencia de ADN de la máxima exactitud. Nuestro esfuerzo para secuenciar los dos primeros genomas, en 1995, se basaba en versiones iniciales de secuenciadores de ADN, y aunque la precisión que teníamos era mejor que un error en diez mil, nos preocupaba que la secuencia no fuera probablemente de bastante calidad para producir datos de precisión suficiente para generar una célula viva. No teníamos otra opción que volver a secuenciar el genoma de M. genitalium utilizando la última tecnología. Nuestra nueva secuencia reveló que nuestra versión original era precisa al nivel de un error por treinta mil pares de bases, y cuando se combinaron las secuencias antigua y nueva, tuvimos menos de un error por cien mil pares de bases: alrededor de media docena de errores en todo el genoma. Fue a partir de esta secuencia nueva y muy exacta cuando empezamos a diseñar la síntesis del genoma de M. genitalium.

Nuestro éxito en la conversión del código digital del phi X 174 en ADN químico nos daba la confianza para habérnoslas con el genoma mucho mayor de un organismo de vida libre. Puesto que podíamos producir con gran exactitud segmentos del tamaño de un genoma vírico, sabíamos que teníamos una probabilidad de éxito si podíamos descomponer un cromosoma bacteriano en segmentos de aquel tamaño y encontrar una forma segura de hilvanarlos todos juntos.

Trinchamos el genoma objetivo en 101 cartuchos que variaban en tamaño desde cinco mil a siete mil pares de bases. Los cartuchos estaban diseñados para que se superpusieran con los cartuchos adyacentes en al menos ochenta pares de bases, y el solapamiento más grande era de 360 pares de bases, de modo que pudiéramos conectarlos como piezas de Lego. Diseñamos nuestros cartuchos de manera que las secuencias de ADN fueran complementarias en las zonas de superposición: si la letra final de un cartucho era «T», querría unirse a una «A» en el otro. Como si se tratara de una cremallera, los solapamientos enlazaron y juntaron las bases complementarias para formar la hélice.

En nuestro esfuerzo para crear el genoma sintético, había otras dos consideraciones a tener en cuenta. El genoma de M. genitalium, como el genoma del phi X 174, es circular, de manera que diseñamos el cartucho 101 para que se superpusiera al cartucho número uno. Como parte de nuestro diseño del genoma, también queríamos disponer de una manera infalible de distinguir nuestro genoma sintético del genoma del M. genitalium nativo. Esto era esencial para impedir que hubiera artefactos que nos despistaran, de manera que siempre pudiéramos seguir la pista del genoma sintético y demostrar sin lugar a dudas que animaba una nueva célula sintética, y no una célula o un genoma nativos contaminados.

De manera parecida a como los artistas firman sus obras, queríamos dejar una rúbrica en el nuevo genoma para distinguirlo de un genoma natural. De modo que, empleando abreviaciones de código de aminoácidos sencillos, diseñamos secuencias de «marcas de agua» que dijeran «Instituto Venter» y «Genómica sintética», así como los nombres de científicos clave que trabajaban en el proyecto. Utilizamos un codón diferente para representar cada una de las veinte letras del alfabeto (no se representaron todas las letras; así, v se usó de manera intercambiable con u, por ejemplo). Mi nombre, cuando se codificaba de esta manera, resultaba así:

TTAACTAGCTAATGTCGTGCAATTGGAGT

AGAGAACACAGAACGATTAACTAGCTAA

Estas secuencias de marca de agua se insertaban en cinco cartuchos diferentes espaciados por el genoma. También necesitábamos insertar un gen para la resistencia a antibióticos que nos permitiera matar selectivamente células que carecieran de nuestro nuevo genoma y así nos permitiera seleccionar nuestro genoma sintético. Como parte del diseño del genoma, pusimos el gen de resistencia a antibióticos en un gen clave de M. genitalium, MG408, que es necesario para que la bacteria se adhiera a las células de mamíferos. Puesto que este gen desempeña un papel en la capacidad del organismo de causar enfermedad, lo incapacitamos de forma efectiva y nos aseguramos que el organismo sintético fuera inocuo.

Con el fin de que nuestro equipo pudiera concentrarse en el paso clave, que era ensamblar los 101 cartuchos en un genoma, insistí en que invitáramos a tres compañías de síntesis de ADN para que hicieran una oferta de contrato para producir para nosotros los 101 cartuchos diseñados. Sólo encontramos una compañía que pudiera hacer segmentos de cinco mil a siete mil pares de bases. Se trataba, asimismo, de una proposición cara: la síntesis de ADN cuesta del orden de un dólar por cada par de bases, de modos que nuestra materia prima por sí sola iba a costar más de medio millón de dólares. Después de habernos comprometido de una manera tan seria desde el punto de vista financiero, estábamos determinados a hacer que la cosa funcionara.

Uno de nuestros retos mayores sería cómo conectar los 101 cartuchos. Surgió una idea procedente de nuestros primeros proyectos de secuenciación genómica. Como resultado de nuestros intentos de abarcar tanta diversidad biológica como fuera posible, yo me había percatado de la existencia de un organismo muy notable que era capaz de reconstruir su genoma después de experimentar lesiones sustanciales debido a radiación. En 1999 publicamos el artículo «Secuenciación del genoma completo de la bacteria radiorresistente Deinococcus radiodurans R1»,[138] que describía a nivel genómico un organismo nuevo que podía resistir hasta tres millones de rads de radiación ionizante. Dado que la exposición a sólo quinientos rads de la misma radiación es letal para los humanos, ¿cómo resistía Deinococcus un tal asalto? ¿Podríamos domeñar los mismos mecanismos de reparación del ADN para construir un genoma sintético?

La radiación tiene el mismo efecto en las proteínas y el ADN de todas las especies, que en parte está relacionado con el tamaño de las moléculas. A principios de mi carrera científica dediqué un tiempo considerable a emplear radiación para inactivar proteínas con el fin de determinar su tamaño. La técnica es fácil en principio. En las proteínas, la radiación desbarata los enlaces peptídicos que unen entre sí los aminoácidos constituyentes; un impacto por proteína es suficiente para destruir su actividad. Existe una relación inversa entre el tamaño de una molécula de proteína y la dosis de radiación necesaria para inactivarla al romper los enlaces peptídicos (las dianas más grandes tienen una probabilidad mucho mayor de ser impactadas que las pequeñas), por lo tanto, cuanto menor es la proteína, mayor la dosis de radiación que se necesita. Utilicé este método para determinar el tamaño de las proteínas receptoras de neurotransmisores y sus complejos funcionales.[139]

La radiación afecta al ADN de una manera parecida, rompiendo los enlaces químicos que unen las bases entre sí. Al igual que en las proteínas, cuanto mayor es el genoma, menor la dosis de radiación necesaria para causar daño. Debido a nuestro gran genoma, los humanos somos mucho más sensibles a los efectos de la radiación que las bacterias. El genoma de una célula humana, comparado con el de un microorganismo, es de un tamaño más de mil veces mayor: seis mil millones de pares de bases, frente a de uno a ocho millones de pares de bases en las bacterias. En consecuencia, haría falta una dosis de radiación mucho menor para causar una rotura de la doble hebra de nuestro ADN que la necesaria para hacer lo mismo en un cromosoma bacteriano. Por dicha razón, podemos estar seguros de que si tuviéramos la mala fortuna de padecer un Armagedón nuclear, las formas de vida más pequeñas lo soportarían.

¿Y cómo es que Deinococcus sobrevive? Cuando se expone a millones de rads de radiación, el genoma de Deinococcus queda destrozado, con cientos de roturas en la doble hebra de ADN, pero puede reparar y volver a ensamblar sus cromosomas y continuar replicándose. Todavía no se comprende del todo su capacidad de hacerlo, pero implica, en parte, el tener múltiples copias de cada cromosoma, de manera que cuando sufre roturas aleatorias inducidas por la radiación en su ADN, los fragmentos pueden alinearse por sí solos para producir una plantilla para la reparación del ADN. A menudo he comparado este proceso al que empleamos en la secuenciación por disparo, cuando programas que funcionan en potentes ordenadores ensamblan fragmentos de ADN secuenciados aleatoriamente y que se traslapan para reconstruir un genoma.

Razonamos que si pudiéramos reproducir el proceso de reparación del ADN y de ensamblado del cromosoma de Deinococcus fuera de sus células, entonces podríamos utilizarlo para ensamblar nuestro cromosoma sintético a partir de segmentos grandes de ADN, de tamaño vírico. Dos de los científicos de nuestro grupo, Sanjay Vashee y Ray-Yuan Chuang, aceptaron hacerse cargo de la tarea. El equipo buscó en el genoma de Deinococcus todos los genes que pudieran ser relevantes, y después pasó otros dos años clonando cada gen, de manera que pudieran producir las proteínas de reparación en el laboratorio, donde podrían ensayar toda una gama de combinaciones con el fin de recapitular el ensamblaje y reparación del ADN. Después de un esfuerzo tremendo, nos vimos obligados a abandonar. Habíamos topado con un callejón sin salida y necesitábamos una nueva estrategia.

Nuestra siguiente aproximación fue desarrollar un plan de ensamblaje lógico y gradual. Utilizando las superposiciones diseñadas en la secuencia de ADN de cartuchos adyacentes, ensamblaríamos dos cartuchos in vitro para formar un fragmento mayor. Después clonaríamos el nuevo fragmento mayor en E. coli para que, cuando este organismo se multiplicara, lo hicieran también las copias del fragmento mayor. De esta manera, produciríamos suficiente ADN para el siguiente paso del ensamblaje. Nuestro objetivo, en último término, no era sólo producir el genoma de M. genitalium, sino también establecer un proceso de montaje robusto y reproducible que pudiéramos aplicar para crear todo tipo de genomas sintéticos en años venideros.

Para la primera ronda en el ensamblaje del genoma, nuestro plan era unir cuatro cartuchos, cada uno de los cuales tenía aproximadamente el tamaño del genoma del phi X 174, para crear conjuntos de veinticuatro mil pares de bases. Esto se conseguía añadiendo cantidades iguales de cada uno de los cuatro cartuchos a un tubo de microfuga (microcentrífuga) con ADN vector que nos permitiría multiplicar el segmento del genoma acabado de construir en E. coli. El vector de ADN que utilizamos se denomina cromosoma bacteriano artificial (BAC), en el que un extremo del BAC se superponía al inicio del cartucho número uno, y el otro extremo al final del cartucho número cuatro.

Para entretejer los fragmentos, añadimos a la mezcla de ADN en el tubo un enzima (conocido como una 3’-exonucleasa) que mastica el extremo del ADN y digiere sólo una de las dos hebras del ADN (la llamada hebra 3’, una referencia a la manera en que los átomos de carbono están numerados en los azúcares de los nucleótidos del ADN) y deja la otra hebra (la hebra 5’) expuesta. Empleando cambios de temperatura para controlar la exonucleasa, podíamos asegurar que los extremos de una sola hebra de los cartuchos se encontrarían y se pegarían entre sí, debido a la atracción química de las bases complementarias de cada hebra, à la Watson y Crick.

Para asegurarnos que terminábamos con hebras completas de doble hélice, añadimos a continuación polimerasa del ADN, así como algunos nucleótidos libres, de modo que en cualquier lugar en que la 3’-exonucleasa eliminara demasiada hebra, la polimerasa llenara las bases que faltaban. A continuación se añadía a la mezcla otro enzima, la ligasa del ADN, para unir entre sí las hebras que se superponían. Cuando todos los enzimas habían terminado su trabajo, acabamos con los cuatro cartuchos unidos para formar la hebra de 24 000 pares de bases, o «24kb». Para producir los cartuchos 24kb que juntos comprendían todo el genoma de M. genitalium, repetimos este proceso veinticinco veces.

Puesto que habíamos reproducido el ADN sintético en E. coli, teníamos suficiente ADN para secuenciar. Siguiendo la verificación de la secuencia de los veinticinco cartuchos repetimos el proceso in vitro, esta vez uniendo tres de los cuatro cartuchos 24kb para formar cartuchos de 72 000 pares de bases, cada uno de ellos equivalente a alrededor de la octava parte del genoma de M. genitalium. Para hacerlo, primero tuvimos que liberar (utilizando un enzima de restricción) los cartuchos 24kb del vector BAC que empleamos para hacerlos crecer en E. coli.

Nuestros vectores BAC se diseñaron de manera que contuvieran una secuencia de ocho bases en ambos lados de nuestro ADN sintético insertado. Dicha secuencia de ocho bases, que no se da naturalmente en el genoma de M. genitalium, es reconocida por un enzima de restricción concreto, llamado NotI. Cuando NotI corta el ADN de los BAC se libera el fragmento sintético 24kb. En esta fase habíamos conseguido ADN sintético de un tamaño superior al doble del récord previo establecido para un conjunto de ADN sintético.

El paso siguiente era repetir de nuevo el proceso, esta vez para producir segmentos de 144 000 pares de bases, cada uno de ellos equivalente a una cuarta parte del genoma. Esto se consiguió sometiendo a dos de los cartuchos de 72kb al mismo proceso de ensamblaje in vitro. Sin embargo, llegados a este punto nos adentrábamos en territorio desconocido y forzábamos nuestras técnicas al límite. Cuando llegamos al penúltimo paso (producir segmentos de medio genoma de 290 000 pares de bases al combinar dos de los cuatro segmentos de un cuarto de genoma), nos encontramos con problemas: los segmentos de 290kb parecían ser demasiado grandes para que cupieran en E. coli.

Por ello el equipo inició una búsqueda de otras especies que pudieran acomodar de manera estable estas grandes moléculas de ADN sintético. Consideramos Bacillus subtilis, que había sido usado por un equipo japonés para hacer crecer segmentos grandes del genoma de una cianobacteria.[140] Pero aunque B. subtilis podía acomodar realmente los grandes segmentos de 290kb, no había manera de recuperar el ADN intacto a partir de estas células, de modo que buscamos en otra parte. La solución llegó del mundo celular más complejo de los eucariotas y de un sujeto experimental favorito de los científicos de todo el mundo que estudian la biología de los eucariotas: la levadura de los cerveceros, Saccharomyces cerevisiae. Durante siglos se ha usado S. cerevisiae para la fermentación de alcohol, así como para hacer pan, pero en el laboratorio se ha explotado de manera rutinaria porque tiene un genoma relativamente pequeño y un conjunto de herramientas genéticas que hacen fácil su manipulación genética. Por ejemplo, S. cerevisiae emplea lo que se llama recombinación homóloga, en la que segmentos de ADN con secuencias en sus extremos parecidas o idénticas a las del genoma de S. cerevisiae pueden empalmarse en su genoma, sustituyendo a la secuencia interpuesta.

Las células de levadura, que son diez veces mayores que las de E. coli, están protegidas por una gruesa pared celular, que es una barrera para la transformación en ADN de las células. Para superar esto, la clonación de levadura se basa en el uso de un enzima, la zimolasa, que digiere gran parte de la pared celular y crea lo que se denominan esferoplastos, en los que pueden introducirse más fácilmente los fragmentos grandes de ADN.[141] La clonación de levadura resulta en cromosomas artificiales circulares, que se demuestran estables y, debido a su naturaleza circular, tienen la ventaja de ser fácilmente purificados a partir de los cromosomas normales, lineales, de la levadura.

Encontramos que utilizando la clonación de levadura podíamos hacer crecer de manera estable nuestros grandes constructos de ADN sintético, y empleando el sistema de recombinación homóloga de la levadura podíamos conectar nuestros segmentos superpuestos de un cuarto de genoma para formar fragmentos de medio genoma. Este sistema nos permitió seguidamente ensamblar todo el genoma de M. genitalium en la levadura. Ahora parecía vislumbrarse el fin del largo y duro ascenso hasta el primer genoma sintético de un organismo vivo.

Introdujimos seis fragmentos de ADN en las células de levadura: el factor de clonación de la levadura y cinco que correspondían al genoma de M. genitalium (los cuatro segmentos de la cuarta parte de un genoma sintético, con uno de los segmentos de ADN sintético dividido en dos para que se superpusiera a los lugares de clonación de la levadura). Para que este experimento funcionara, la célula de levadura debía incorporar los seis segmentos de ADN y ponerlos juntos mediante recombinación homóloga. Examinamos noventa y cuatro células de levadura transformadas para buscar el ADN del tamaño correcto y encontramos que dieciséis de ellas contenían un genoma sintético de M. genitalium completo.

Aunque parecía que, efectivamente, habíamos tenido éxito en el ensamblaje de nuestro genoma bacteriano sintético en las células de levadura, necesitábamos secuenciar el ADN para comprobar la exactitud del genoma sintético y asegurarnos de que el proceso de ensamblaje no había causado ningún error. Aunque esto parece sencillo, teníamos que desarrollar nuevos métodos para recuperar nuestro cromosoma sintético de las células de levadura, que estimamos que representaba sólo el 5% del ADN total de las células. Para enriquecer nuestro ADN sintético, utilizamos nuestro conocimiento de la secuencia del genoma de la levadura y de los genomas sintéticos para seleccionar enzimas de restricción que sólo cortarían el ADN de la levadura en fragmentos pequeños. Después empleamos electroforesis sobre gel para separar los restos astillados del ADN de la levadura del correspondiente al cromosoma sintético intacto.

Finalmente, pudimos emplear nuestro método de secuenciación del genoma completo por disparo para secuenciar el genoma sintético. Todos nos sentimos muy contentos y aliviados cuando comprobamos que la secuencia de ADN correspondía exactamente a nuestra secuencia diseñada en el ordenador, incluidas las marcas de agua que habíamos introducido. Habíamos sintetizado un genoma de M. genitalium de 582 970 pares de bases, y al conseguir esta hazaña habíamos creado la mayor molécula química sintetizada con una estructura definida.

Llamamos a nuestro primer genoma sintético M. genitalium JCVI1.0. Escribimos nuestros resultados y los enviamos a Science el 15 de octubre, el día siguiente a mi sexagésimo primer aniversario. Nuestro artículo fue publicado en línea el 24 de enero de 2008, y apareció impreso el 29 de febrero. Celebramos nuestro éxito a la hora de crear el genoma, pero sabíamos que nuestros mayores retos tenían que llegar todavía: ahora debíamos encontrar una manera de trasplantar el primer genoma sintético en una célula, para ver si podía funcionar como un cromosoma normal. En el proceso, la célula patrón se transformaría en una en la que todos los componentes se fabricarían según las instrucciones que tenía nuestro ADN sintético. De nuevo, nuestros esfuerzos se basarían en trabajos e ideas previos que habían surgido de una serie de equipos con talento, que se remontaban a muchas décadas.

7

Convirtiendo una especie en otra

La transición desde un paradigma en crisis a uno nuevo desde el que puede surgir una nueva tradición de la ciencia normal está lejos de ser un proceso acumulativo, al que se llega mediante una articulación o extensión del paradigma antiguo. Por el contrario, es una reconstrucción del campo a partir de nuevos fundamentos, una reconstrucción que cambia algunas de las generalizaciones teóricas más elementales del campo, así como muchos de sus métodos y aplicaciones paradigmáticas. Durante el período de transición habrá una superposición grande, pero nunca completa, entre los problemas que pueden resolverse por el antiguo paradigma y por el nuevo. Pero también habrá una diferencia decisiva en los modos de solución. Cuando la transición sea completa, la profesión habrá cambiado su visión del campo, sus métodos y sus objetivos.

THOMAS KUHN, 1962[142]

Si tuviera que seleccionar un único estudio, artículo o resultado experimental que haya influido más que ningún otro en mi comprensión de la vida, sin dudar elegiría uno por encima de todos los demás: «Trasplante de genoma en bacterias: cambiar una especie en otra».[143] La investigación que condujo a este artículo de 2007 en Science no sólo modeló mi concepción de la vida, sino que también preparó los cimientos que hicieron posible la creación de la primera célula sintética. El trasplante del genoma no sólo proporcionó una manera de llevar a cabo una transformación sorprendente, sino que contribuyó también a demostrar que el ADN es el equipo lógico de la vida.

Había algún precedente conceptual de nuestro trabajo en un proceso denominado «transferencia nuclear», que se había utilizado, por ejemplo, para crear a Dolly,[144] la oveja clonada, por un equipo encabezado por Ian Wilmut, en el Instituto Roslin, cerca de Edimburgo, Escocia. El núcleo con su contenido de ADN de una célula mamaria de una oveja adulta se trasplantó a un óvulo al que se había eliminado su núcleo, con lo que se devolvía efectivamente el ADN de la célula mamaria a un estado embrionario. El resultado, el nacimiento de Dolly, supuso titulares de prensa en todo el mundo en 1997, porque el animal fue creado a partir de una célula mamaria adulta. (De ahí su nombre, un guiño a Dolly Parton, una cantante bien dotada). Hasta el nacimiento de Dolly, se había considerado imposible tomar una célula de un adulto y producir un clon. El logro del Instituto Roslin se basaba en muchos factores, desde una comprensión técnica del ciclo celular hasta consideraciones prácticas, como la protección de los embriones en reconstrucción en una cáscara de agar protector.[145] Pero Dolly no fue ni mucho menos el primer clon, ni tampoco fue la primera oveja clonada, como muchos creen.[146]

La historia de la transferencia nuclear se remonta a 1938 y al embriólogo alemán Hans Spemann (1869-1941), que fue muy creativo e influyente y publicó los primeros experimentos de trasplante nuclear.[147] Spemann fue el pionero de lo que denominó Entwicklungsmechanik, o «mecánica del desarrollo», y se le concedió el premio Nobel por sus trabajos en 1935. Con Hilde Mangold (1898-1924) realizó los primeros experimentos de transferencia nuclear en el tritón, que era un sujeto experimental ideal debido a sus huevos grandes y fáciles de manipular. En 1938 Spemann publicó Embryonic Development and Induction, un texto fundamental, en el que describía que su experimento se basaba en el uso diestro de microscopios, pinzas y un pelo delicado, probablemente arrancado de su hija Margrette.

Spemann utilizaba el pelo como un lazo corredizo para dividir bajo el microscopio binocular el citoplasma de un huevo de salamandra acabado de fecundar, con lo que creaba un embrión en forma de pesas de gimnasia. A un lado de las pesas estaba el núcleo, que contenía el ADN; en el otro había sólo citoplasma, que tenía todo el contenido celular, con excepción del núcleo, que se halla dentro de la membrana celular. (Es importante recordar que, aunque Spemann se había inspirado al principio por el trabajo de August Weismann sobre la herencia, todo lo que se sabía entonces era que el secreto de la herencia residía en el núcleo). Después de que el lado nucleado se hubiera dividido cuatro veces, para dar un embrión de dieciséis células, Spemann desataba el pelo y permitía que uno de los dieciséis núcleos pasara al citoplasma separado en la otra mitad de las pesas, con lo que se formaba una nueva célula con el contenido original del huevo, junto con un núcleo más maduro. De nuevo apretaba el pelo y separaba los dos embriones. Al hacerlo, demostró que el núcleo tiene todavía la capacidad de transformarse en cualquier tipo de célula después de haber experimentado cuatro divisiones. De esta manera, Spemann había creado un clon, una copia genéticamente idéntica que era algunos momentos más joven que la otra.

Spemann denominó formación de mellizos a este proceso, y ha quedado registrado en la historia como el primer clon animal producido en el laboratorio mediante transferencia nuclear. Quería ir más allá y había propuesto un «experimento fantástico» para hacer lo mismo con una célula adulta, pero al igual que muchos antes que él, estaba lo bastante abrumado y temeroso por los misterios del desarrollo, que sospechaba que dependía de algo más que de la física y la química simples.

En la década siguiente, el reto de Spemann atrajo la atención de Robert Briggs, un investigador del Instituto de Investigación del Hospital Lankenau, en Filadelfia (que posteriormente sería el Instituto para la Investigación del Cáncer y en la actualidad el Centro de Cáncer Fox Chase), que estudiaba el núcleo celular. En 1952, mientras trabajaba con Thomas J. King, clonó ranas leopardo empleando un método de transferencia nuclear. El experimento de Briggs y King era parecido a los que Spemann imaginó (e inició usando salamandras) en su propuesta de 1938. Transfirieron el núcleo de una célula de rana procedente de un embrión temprano al huevo grande (un milímetro) de la rana leopardo americana común, y crearon embriones de rana que formaron renacuajos. Pero en experimentos posteriores llegaron a la conclusión de que el potencial de desarrollo disminuye a medida que las células se diferencian, y que era imposible producir un clon a partir del núcleo de una célula adulta. Posteriormente, mientras trabajaba en Oxford en 1962, John Gurdon sustituyó el núcleo celular del óvulo de un sapo de uñas, Xenopus, por uno de una célula madura y especializada obtenida del intestino de un renacuajo. El huevo se desarrolló en un renacuajo clonado, y experimentos subsiguientes dieron sapos adultos.[148] Su investigación nos descubrió que el núcleo de una célula madura y especializada puede ser devuelta a un estado inmaduro, y esto condujo a que se le concediera el premio Nobel de Fisiología o Medicina en 2012,[149] cincuenta años después de su experimento pionero.

Lo que intentábamos hacer era en algunos aspectos mucho más complicado que estos experimentos pioneros de transferencia nuclear, por notables que sin duda eran. El trabajo de Spemann era algo así como deducir cómo reprogramar un ordenador sin saber nada del equipo lógico, simplemente haciendo bajar código de la Red. A diferencia de las células eucariotas, más complejas, las bacterias carecen de un núcleo, una subestructura celular incluida en una membrana. En la célula bacteriana el genoma está suspendido en la espesa sopa del citoplasma, junto con el resto de componentes celulares. Como resultado, no había orgánulo celular que pudiera ser extraído quirúrgicamente. Un reto todavía mayor al que nos enfrentábamos era que queríamos trasplantar el material genético de una especie a otra, mientras que todos los experimentos previos de transferencia nuclear habían implicado trabajar con la misma especie, si no con exactamente el mismo animal.[*]

Cuando empezamos a considerar cómo transferir ADN sintético a una bacteria y sustituir su propio cromosoma, sabíamos que teníamos que desarrollar un nuevo método de trasplante de genoma, puesto que todo el genoma de la especie patrón tenía que ser reemplazado por el ADN insertado y desnudo del genoma de la nueva especie sin que se produjera ninguna mezcla (recombinación) de los dos genomas. Durante décadas, en biología molecular se han transferido de manera rutinaria y sin limitaciones genes individuales, entre ellos genes víricos y genes humanos que se han trasplantado a bacterias y levaduras, en las que se expresan. Pero nadie, que yo sepa, ha intentado siquiera trasplantar un genoma entero, una tarea que muchos han considerado imposible.

Tales prejuicios limitan a menudo nuestra capacidad para intentar nuevos enfoques o para aceptar nuevos descubrimientos. Por ejemplo, los microbiólogos pensaban antaño que las células bacterianas sólo podían tener un único cromosoma. Pero la realidad era mucho más interesante, como descubrí a mediados de la década de 1990, cuando secuenciamos[150] el genoma del cólera, una enfermedad importante que afecta a cinco millones de personas en todo el mundo, y que provoca hasta ciento veinte mil muertes anuales.[151] Un único aspecto de los algoritmos que habíamos desarrollado para la secuenciación de fuerza bruta, en el que se usaban los ordenadores para casar los fragmentos superpuestos de código secuenciado, era que ensamblaban secuencias genómicas únicamente sobre la base de la identidad del código genético que se traslapaba. No tenían idea preconcebida alguna de cuántos cromosomas, plásmidos o virus se estaban ensamblando como no fuera colocar los fragmentos equivalentes de una manera válida desde el punto de vista matemático. Cuando ensamblamos los fragmentos secuenciados del genoma del cólera, se unieron limpiamente en dos cromosomas independientes, no uno, como la mayoría había supuesto. Cuando comparamos los dos cromosomas entre sí y con otros genomas, encontramos que eran muy diferentes el uno del otro.

Después de hacer este descubrimiento en el cólera, identificamos un número importante de especies microbianas con cromosomas múltiples. Esto planteaba una pregunta: ¿cómo habían adquirido dichas especies estos cromosomas múltiples? ¿Acaso una célula simplemente adquirió el ADN adicional por casualidad a partir de una célula lisada y el nuevo cromosoma se estableció porque añadía a su nuevo hogar algunas capacidades de supervivencia que eran clave? ¿Se habían fusionado dos células bacterianas antiguas para formar una nueva especie? No teníamos las respuestas, pero para mí estas ideas eran muy atractivas. La mayoría creía que la evolución de las especies se debía a la acumulación gradual de cambios simples en las bases de la secuencia de ADN a lo largo de millones a miles de millones de años; la especie en cuestión se adaptaba a su ambiente si los cambios aleatorios ofrecían una ventaja en la supervivencia. Para mí tenía sentido que algunos de los espectaculares saltos que habíamos visto en la evolución se debieran, al menos en parte, a la adquisición de un cromosoma adicional que añadía miles de genes y nuevos rasgos en un único acontecimiento.

Ahora sabemos que algunas de las funciones avanzadas de las células eucariotas surgieron en la evolución cuando células eucariotas primitivas absorbieron completamente a algunas especies microbianas que inicialmente vivían en una relación simbiótica con ellas. Probablemente el ejemplo más importante tuvo lugar hace unos dos miles de millones de años, cuando una célula eucariota adquirió una célula de cianobacteria fotosintética, que en último término se convirtió en todas las plantas en el cloroplasto, que es donde tiene lugar la fotosíntesis. El segundo ejemplo más claro de este proceso, conocido como endosimbiosis, puede encontrarse en los «paquetes de energía» de nuestras células, las mitocondrias, que, al igual que los cloroplastos, poseen su propio código genético y proceden de una bacteria simbiótica, Rickettsia.

Debido a que era evidente que el trasplante de genomas y de células enteras era una parte esencial de nuestra evolución, yo estaba seguro de que podríamos encontrar una manera de trasplantar genomas de forma artificial. Para nuestros experimentos de trasplante inicial escogimos micoplasmas, porque a diferencia de la mayoría de bacterias carecen de pared celular (una capa externa dura y relativamente rígida) y sólo poseen una membrana celular de lípidos, lo que simplificaría hacer entrar ADN en la célula. También teníamos extensos conjuntos de datos, que incluían las secuencias genómicas de Mycoplasma y abundantes datos de genes desactivados. Formé un nuevo equipo de trasplante centrado en dos científicos: John Glass, que había pasado gran parte de su carrera en la compañía farmacéutica Lilly trabajando en micoplasmas y que se había unido a nosotros cuando Lilly cerró su programa antimicrobiano; y una nueva investigadora posdoctoral francesa, Carole Lartigue, que tenía experiencia por haber trabajado con especies de micoplasmas. Otros miembros clave del equipo eran Nina Alperovich y Rembert Pieper.

Primero habíamos querido intentar el trasplante del genoma del micoplasma a E. coli, pero aunque los micoplasmas usan en su ADN las mismas cuatro bases que todas las demás especies, el codón UGA codifica el triptófano en los micoplasmas, mientras que en otras especies UGA codifica un codón de terminación, que termina el proceso de transcribir el ADN en una proteína. Puesto que E. coli leería UGA como un codón de terminación, produciría proteínas truncadas incompatibles con hacer una célula viable. Tendríamos que utilizar una segunda especie de micoplasma para los experimentos de trasplante.

Habíamos seleccionado M. genitalium para la secuenciación y el análisis del genoma debido a su genoma pequeñísimo y, por la misma razón, para la síntesis del ADN, porque pensamos que el paso limitante en producir un genoma sintético sería nuestra capacidad para utilizar la química para reproducir el genoma. Sin embargo, habríamos de terminar lamentando esta decisión, por una importante razón práctica: en el laboratorio, M. genitalium crece muy lentamente. Mientras que E. coli se divide en células hijas cada veinte minutos, M. genitalium necesita doce horas para hacer una copia de sí misma. Aunque pueda parecer que esto no es una gran diferencia, con el crecimiento logarítmico supone la diferencia entre tener el resultado de un experimento en veinticuatro horas o tenerlo al cabo de varias semanas. Por lo tanto, para los procedimientos iniciales de trasplante de genoma escogimos dos especies de micoplasma diferentes y de crecimiento rápido, M. mycoides y M. capricolum, que son patógenos oportunistas de cabras y probablemente se hicieron importantes cuando se domesticó a estos animales, hace unos diez mil años.[152] Al tratarse de agentes importantes de enfermedades ganaderas, estos organismos son de uso rutinario en los laboratorios de investigación. Aunque no son tan rápidos como E. coli, M. mycoides se divide en sesenta minutos y M. capricolum lo hace en cien minutos.

Al ser un laboratorio de genómica, secuenciamos los genomas de ambas especies con el fin de descubrir hasta qué punto estaban relacionadas. Encontramos que M. mycoides tiene un genoma de 1 083 241 pares de bases, de los que las tres cuartas partes (76,4%) correspondían en secuencia al genoma algo menor de M. capricolum, que está compuesto por 1 010 023 pares de bases. En las regiones del genoma en las que las secuencias se alinean, se corresponden con un 91,5% de precisión. La cuarta parte restante (24%) del genoma de M. mycoides que no corresponde en su secuencia al de su organismo hermano menor, contiene secuencias que no se encuentran en el genoma de M. capricolum.

Razonamos que, sobre la base de la similaridad en la secuencia del ADN, las proteínas clave en cada especie usadas para interpretar las instrucciones en el código genético tendrían una bioquímica lo suficientemente compatible para leer el genoma de la otra especie, y al mismo tiempo serían lo bastante distintas desde el punto de vista genético para que pudiéramos distinguir fácilmente una de la otra. También pensamos que las secuencias del genoma eran lo bastante diferentes para que fuera improbable que se recombinaran.

Cuando se hubo de seleccionar qué genoma trasplantar y cuál iba a ser el patrón, escogimos a M. mycoides como el genoma donante y a M. capricolum como el receptor: M. mycoides crece más deprisa y tiene el genoma mayor, lo que haría que los trasplantes con éxito fueran fáciles de detectar. Había asimismo una razón técnica que influyó en nuestra elección. En su laboratorio anterior, Carole Lartigue había estudiado un tramo especial de equipo lógico de ADN conocido como el «origen del complejo de replicación», o ORC, que es fundamental para el proceso de la división celular. Carole había demostrado que, como resultado de sus ORC respectivos, los plásmidos originados en M. mycoides podían crecer en M. capricolum, pero no al revés.

Una vez hubimos seleccionado los micoplasmas donante y receptor, estábamos seguros de que teníamos un buen sistema experimental que nos ofrecería la mejor oportunidad para intentar el trasplante de genoma. Los pasos siguientes requirieron gran cantidad de tediosos experimentos de prueba y error y nos habrían de adentrar en territorio desconocido. Teníamos que desarrollar nuevos métodos para aislar el cromosoma intacto de una especie y trasplantarlo en una célula receptora sin dañar o cortar el ADN. Mientras que es fácil manipular fragmentos pequeños de ADN sin dañarlos, los grandes, en especial cromosomas enteros constituidos por millones de bases, son muy frágiles y se dañan con facilidad.

También teníamos que decidir un enfoque experimental general. ¿Intentaríamos extraer o destruir el genoma de capricolum antes de trasplantar uno nuevo de la célula de mycoides? Este proceso sería equivalente al paso que en la transferencia nuclear se denomina enucleación en las células eucariotas, que era relativamente fácil, puesto que podía utilizarse simplemente una micropipeta para succionar y extraer el núcleo de un óvulo receptor. No sabíamos si esto era fundamental para nuestro propósito de destruir o eliminar el genoma de la célula receptora antes de la adición del nuevo ADN. Ni tampoco sabíamos qué ocurriría si termináramos con dos genomas en la misma célula.

Pensamos en varias maneras de atacar al cromosoma patrón, incluyendo el uso de radiación para destruir su ADN, con el razonamiento que las moléculas de ADN, mucho mayores que las proteínas, se verían más afectadas que éstas por dosis menores de radiación. También consideramos el empleo de enzimas de restricción para digerir el ADN en el genoma de la célula receptora. Nos preocupaba que cualquiera de estas dos aproximaciones pudiera dejar atrás fragmentos de ADN, que pudieran recombinarse con el cromosoma trasplantado, lo que haría imposible poner en marcha un genoma puramente sintético. Después de una extensa discusión, Ham Smith propuso una idea más sencilla: no hacer nada, porque después del trasplante era posible que, cuando la célula receptora se dividiera en células hijas, una de ellas terminara simplemente con sólo el cromosoma trasplantado.

Aunque esto parecía una probabilidad remota, decidimos realizar el experimento. Pero antes teníamos que dar respuesta a algunas preguntas clave y desarrollar una manera de aislar y manipular el cromosoma sin dañar el ADN. Con el fin de proteger el ADN, decidimos aislar el cromosoma en bloques minúsculos (100 μl, o la centésima parte de un microlitro) de agarosa, que tiene una consistencia similar a la de la gelatina. Para empezar, colocamos las células bacterianas en una mezcla de agarosa líquida y la vertimos en moldes, que, cuando se enfriaron en hielo, solidificaron en tacos diminutos. Con las bacterias firmemente contenidas, podíamos añadir enzimas para abrir las células para que derramaran su contenido, incluidos los cromosomas, en el taco. Para separar el ADN lavamos los tacos con enzimas proteasas para que digirieran todas las proteínas y dejaran el ADN intacto. Después, podíamos colocar los tacos que contenían el ADN sobre un gel analítico y utilizar una corriente eléctrica para que el ADN se introdujera en el gel. El ADN está cargado negativamente, debido a los grupos fosfato del eje principal, y cuando se lo coloca en un campo eléctrico migrará hacia un electrodo positivo. Haciendo variar el gradiente de voltaje y el porcentaje de gel, y empleando diferentes tinciones, podíamos determinar el tamaño del cromosoma, el grado de contaminación por proteínas y si el cromosoma había sido dañado o se había roto, produciendo moléculas lineales, puesto que el ADN lineal se desplaza más rápidamente a través de los geles que el ADN circular, que se mueve más rápido que el ADN superarrollado.[153]

Después de experimentar con liberar y procesar genomas en los geles analíticos, estábamos seguros de que teníamos una manera de aislar cromosomas, de determinar si estaban libres de proteínas (necesitábamos saber si para el trasplante se necesitaba alguna proteína) y de establecer si el ADN era de doble hebra, circular o superarrollado. En procariotas y eucariotas, el ADN está empaquetado de formas diferentes para que quepa de manera compacta en el interior de las células o de los compartimentos celulares. En las células humanas, el ADN está enrollado alrededor de proteínas, denominadas histonas, mientras que las bacterias tienden a conseguir lo mismo mediante superarrollamiento que, como sugiere el nombre, quiere decir arrollar espirales dentro de espirales. La mayoría de genomas bacterianos están «superarrollados negativamente», lo que quiere decir que el ADN está arrollado en la dirección opuesta a la de la doble hélice. Algunos experimentos preliminares habían sugerido que el estado preciso del ADN era importante, porque los cromosomas circulares e intactos parecían funcionar mejor para el trasplante.

Carole Lartigue y su equipo habían intentado muchos protocolos y finalmente aplicaron un procedimiento que, aunque complejo, acabó por funcionar. Observamos que el ADN libre de proteínas se trasplantaba con éxito en las células de M. capricolum. También descubrimos que cambios sutiles en las células receptoras ayudaban al trasplante. Por ejemplo, hacer crecer células a un pH de 6,2 en lugar de hacerlo a 7,4 cambiaba de manera espectacular el aspecto de las células de M. capricolum, que por lo general tienen forma ovoide, y las hacía aparecer largas y delgadas. Esta topografía más fina también las hacía más permeables, presumiblemente al hacer que la membrana celular se relajara. Para ayudar a que el nuevo genoma penetrara en las células de M. capricolum, adoptamos un método estándar que implicaba el uso de una sustancia química llamada polietilén glicol (PEG), que no sólo hace que la membrana sea más permeable, sino que también puede proteger al ADN mientras atraviesa la membrana.

Encontramos que la pureza, tipo y origen del polietilén glicol eran factores clave para un trasplante de éxito. El descubrimiento de este simple hecho tomó gran cantidad de trabajo tedioso, repetitivo y frustrante, junto con una atención extrema al detalle. Cuando se está desarrollando una nueva técnica, no hay recetas que copiar, libros de texto que consultar o manuales que leer para transmitir aquellos pequeños indicios y secretos que garantizan el éxito. Uno acaba teniendo que probar todas y cada una de las permutaciones de condiciones e ingredientes. Nunca se está totalmente seguro de cuál de los muchos factores es realmente importante, de cómo actúan uno con otro o uno contra otro, etcétera. Seleccionar todas estas variables requiere ensayos cuidadosamente diseñados. Se trata de experimentación básica muy dura y, si se tiene éxito, de la mejor. Por cada experimento que funcionó hubo probablemente cientos que fracasaron. Dice mucho a favor de Carole Lartigue y de su equipo que dedujeran los detalles después de muchos meses de dura tarea, para que el trasplante de genoma pudiera transformarse de una idea a un procedimiento real, detallado y efectivo.

Con el fin de mejorar nuestras probabilidades de éxito, añadimos dos cartuchos de genes al genoma de M. mycoides antes del trasplante. Un cartucho era para selección de antibióticos, de modo que cuando añadiéramos un antibiótico al cultivo aquellas células que sobrevivieran portaran este conjunto génico protector. Asimismo, para que resultara evidente cuando un trasplante de genoma tuviera éxito, incluimos un gen llamado lacZ, que codifica una proteína que haría que las células se volvieran de color azul vivo en presencia de una sustancia química llamada X-gal. Ahora sabíamos qué aspecto tendría el éxito: colonias azules y resistentes a los antibióticos. Sin embargo, teníamos que estar seguros de que este fuera el caso, pues era posible que el azul resultara también del lacZ, y que los genes de resistencia a los antibióticos se transfirieran al genoma de M. capricolum.

Lamentablemente, esto no era sólo una posibilidad teórica. Habíamos intentado muchas veces trasplantar el genoma de M. genitalium a células de M. genitalium, y aunque solíamos obtener células azules, encontramos que siempre se debía a acontecimientos de recombinación simple, en los que los genes de lacZ y de resistencia se transferían realmente desde el genoma trasplantado casi idéntico de M. genitalium al genoma de las células receptoras de M. genitalium.

El genoma trasplantado era demasiado parecido, en la estructura de la secuencia, al genoma de la célula receptora, de manera que sus contenidos se mezclarían. Aprendimos de la forma más dura a no entusiasmarnos demasiado a la vista de una colonia azul antes de que se hubiera validado la realización de forma adecuada.

De nuevo, el equipo tuvo algunos éxitos aparentes al conseguir nuevas células azules, después del trasplante del genoma de M. mycoides a células de M. capricolum. Después de obtener una colonia azul, el equipo había refinado y vuelto a ensayar y, de semana en semana y de mes en mes, el número aumentaba hasta que obtuvimos docenas de colonias. Más prudentes ahora, diseñamos varios experimentos para analizar las células azules que resultaban del trasplante de genoma.

Nuestra primera línea de análisis usaba la reacción en cadena de la polimerasa (PCR) para amplificar secuencias que sabíamos que sólo se daban en el genoma de M. mycoides. Asimismo, teníamos unas cuantas secuencias que sólo se presentan en el genoma de M. capricolum y que intentábamos amplificar a partir de las células azules. Sólo empezábamos a sentirnos excitados cuando podíamos detectar secuencias amplificadas procedentes del genoma trasplantado y ninguna procedente de las células receptoras. Todavía existía una probabilidad persistente pero pequeña de que estuviéramos viendo los resultados de recombinación genómica, pero a medida que examinábamos cada vez más secuencias, esta posibilidad se tornaba cada vez más remota. Realizamos análisis en gel adicionales de las células trasplantadas, que revelaron que sólo había fragmentos de M. mycoides y ninguno procedente del genoma de M. capricolum.

Aunque estos métodos indirectos eran muy prometedores, la prueba definitiva sería secuenciar el ADN de una colonia azul para revelar el contenido real del genoma. Seleccionamos dos colonias azules y secuenciamos mil trescientos clones de la biblioteca de cada una, que en total suponían cerca de un millón de pares de bases de secuencia de ADN. Nos entusiasmamos realmente cuando todas las secuencias sólo casaron con el genoma de M. mycoides que se había trasplantado a las células receptoras.

Con cada fase de nuestro análisis, se hacía cada vez más evidente que teníamos células que contenían únicamente el genoma trasplantado de M. mycoides y que el genoma de M. capricolum había sido destruido o eliminado por segregación en células hijas que a continuación eran muertas por el antibiótico del medio de cultivo. Pero todavía no estábamos satisfechos. ¿Acaso podría ser este descubrimiento, de algún modo, un artefacto? ¿Existía alguna manera de que pudiéramos haber transferido incluso una sola célula intacta de M. mycoides que creciera y nos hiciera pensar que habíamos trasplantado el genoma? ¿No podían ser las colonias azules nada más que el resultado de contaminación? Nate Kaplan fue el primero que me enseñó el antiguo y sabio mantra de que las afirmaciones extraordinarias requieren pruebas extraordinarias que las respalden.[154]

Guiados por esta manera crítica de pensar, habíamos incluido controles en todos los experimentos que nos habían llevado hasta esta fase, de forma que pudiéramos descartar cualquier artefacto. Aunque estábamos seguros de que nuestro procedimiento de aislamiento del ADN eliminaría a todas y cada una de las células de M. mycoides, para mayor seguridad incluimos dos controles negativos en cada experimento de trasplante: uno en el que los trasplantes se hicieron sin células receptoras de M. capricolum y otro en el que teníamos células de M. capricolum pero los tacos no contenían ADN de M. mycoides. Empleando estos controles negativos, no se observaron nunca colonias azules, lo que proporcionó la seguridad de que nuestras preparaciones de ADN no estaban contaminadas con ninguna célula de M. mycoides. Nos animó todavía más la observación de que el número de colonias trasplantadas en cada experimento dependía directamente de la cantidad de ADN de M. mycoides añadido a las células. Cuanto más ADN añadíamos, mayor era el número de colonias trasplantadas que se producía.

De modo que ¿qué era exactamente lo que teníamos ahora? ¿Eran las células de M. capricolum que contenían únicamente el ADN de M. mycoides, incluidos los genes lacZ y los genes tetM de resistencia a antibióticos, de resistencia a la tetraciclina? ¿Qué había cambiado como consecuencia del trasplante del genoma? ¿Cuál era el fenotipo de las células derivadas del ADN trasplantado? Sometimos a las células azules a varios procedimientos analíticos complejos para encontrar qué proteínas estaban presentes. Empleando anticuerpos que eran exquisitamente sensibles a proteínas en cada tipo de célula progenitora, investigamos qué tenían en su superficie celular las nuevas células procedentes del trasplante. Para nuestra agradable sorpresa, los anticuerpos que se producían contra las proteínas de M. capricolum no se fijaban a las nuevas células con los genomas trasplantados, mientras que los anticuerpos que se produjeron originalmente contra las proteínas de M. mycoides sí que se fijaban a ellas.

Mientras se estaban efectuando estos estudios de anticuerpos también realizamos un análisis mucho más general en el que se examinaban las proteínas de los tres tipos de células (células receptoras de M. capricolum, células donantes de M. mycoides y nuevas células del trasplante) mediante el método de electroforesis bidimensional diferencial. Puede considerarse esta técnica como un método para ver el contenido proteínico de las células. Las proteínas aisladas de las células se separan, en una dimensión, sobre la base de su tamaño, y en la segunda dimensión, según su carga eléctrica. Este ensayo extiende las proteínas de la célula, cada una de las cuales se revela como un patrón de manchas que es único para cada tipo celular. Después, los patrones bidimensionales pueden compararse fácilmente entre sí. A partir de este tipo de análisis resultaba evidente que el patrón de proteínas del trasplante era casi idéntico al de las células del donante, M. mycoides, y muy diferente del patrón proteínico de M. capricolum.

Estábamos emocionados por este resultado, pero queríamos ir todavía más lejos. Secuenciamos fragmentos de proteínas de noventa puntos diferentes de los geles bidimensionales empleando una técnica llamada espectrometría de masas de desorción/ionización láser asistida por matriz (MALDI). En este proceso, que sólo una década antes habría parecido algo surgido de la ciencia ficción, los diminutos puntos de proteínas separadas se extraen, efectivamente, de los geles bidimensionales utilizando un láser, formándose así una pluma de moléculas cargadas sobre cada punto, que después es sometida a análisis mediante un método estándar denominado espectrometría de masas. De este modo, el procedimiento MALDI puede revelar la secuencia de aminoácidos de los fragmentos de proteína de los puntos del gel.

Estos datos nos proporcionaron las pruebas concluyentes de que sólo las proteínas de la célula trasplantada eran las que resultaban de la transcripción y traducción del genoma trasplantado de M. mycoides. Ahora podíamos estar absolutamente seguros de que disponíamos de un mecanismo nuevo y novedoso para transformar la identidad genética de una célula que no implica recombinación de ADN o mecanismos naturales de transformación. Puesto que el genoma de M. capricolum no contenía ningún código para procesos de absorción de ADN, podíamos concluir que el trasplante del nuevo cromosoma en las células de M. capricolum sólo podía ser el resultado de nuestro proceso de trasplante de genoma mediante el polietilén glicol. Ahora sabíamos que teníamos las primeras células procedentes del trasplante deliberado del genoma de una especie en una célula patrón de otra especie. Al hacerlo, habíamos cambiado, efectivamente, una especie en otra.

Nuestro éxito tenía muchas implicaciones. La más importante era que ahora sabíamos que, si podíamos sintetizar un genoma a partir de nuestros frascos de reactivos químicos, era una posibilidad realista que pudiéramos tomar este genoma sintético y trasplantarlo a una célula receptora, donde pondría en marcha sus instrucciones. Como resultado, el trabajo de trasplante volvió a fortalecer nuestros esfuerzos para sintetizar el ADN de un organismo y después ponerlo a trabajar para crear una nueva célula viva.

Otro impacto importante de los primeros trasplantes de genoma fue que proporcionaron una nueva y más profunda comprensión de la vida. Lo que yo pensaba acerca de la vida había cristalizado mientras realizábamos esta investigación. El ADN era el equipo lógico de la vida, y si cambiábamos dicho equipo lógico, cambiábamos la especie, y con ello el equipo físico de la célula. Este es precisamente el resultado que los que anhelaban pruebas de alguna fuerza vitalista temían que surgiera de la buena ciencia reduccionista, de intentar descomponer la vida, y de lo que significaba estar vivo, en funciones básicas y componentes simples. Nuestros experimentos no dejaban mucho margen para respaldar las opiniones de los vitalistas o de los que quieren creer que la vida depende de algo más que de un complejo compuesto de reacciones químicas.

Estos experimentos no dejaban lugar a dudas de que la vida es un sistema de información. Yo esperaba ansioso el siguiente objetivo. Quería poner nueva información en la vida, crear un código digital en mi ordenador, utilizar la síntesis química para transformar dicho código en un cromosoma de ADN, y después trasplantar a una célula esta información creada por el hombre. Quería conducirnos a una nueva era de la biología mediante la generación de una nueva forma de vida que estuviera descrita e impulsada únicamente por información de ADN creado en el laboratorio. Esta sería la prueba definitiva mediante síntesis.

8

Síntesis del genoma de M. mycoides

Si queremos resolver un problema que nunca antes hemos resuelto, hemos de dejar entreabierta la puerta a lo desconocido.

RICHARD FEYNMAN, 1988[155]

Muchos creen que las innovaciones más importantes de la creatividad humana son el resultado de algún tipo de regalo visionario, un regalo asociado a genios tan extraordinarios y singulares como Isaac Newton, Miguel Ángel, Marie Curie y Albert Einstein. No dudo del increíble impacto de individuos que pueden efectuar grandes saltos intelectuales, que pueden ver más allá de lo que nadie vio antes que ellos, y que distinguen pautas donde otros ven sólo ruido. Sin embargo, también existe un tipo de creatividad menos espectacular que impulsa la ciencia, una humilde variedad que no es menos importante: la solución de problemas.[156] Superar un único obstáculo para conseguir un objetivo muy particular puede producir a veces una tecnología que puede resultar tener una gama extraordinaria de otros usos. Desde un punto de partida muy estrecho, la ciencia puede ser proyectada en direcciones totalmente nuevas.

Cuando, por ejemplo, Hamilton Smith encontró qué es lo que hacía realmente una proteína que ahora denominamos enzima de restricción en la bacteria Haemophilus influenzae, y cómo lo hacía, dudo que tuviera la menor idea de que este descubrimiento ayudaría a establecer los cimientos de la ingeniería genética. Cuando el genetista inglés Alec Jeffreys vio un patrón borroso en una radiografía que había hecho de material genético procedente de uno de sus técnicos, sospechó que esta imagen irregular abriría el camino a la ciencia del ADN forense, pero dudo que se diera cuenta de la medida en que llegaría a usarse de manera rutinaria para cuestiones de paternidad, para estudiar poblaciones de animales salvajes y, desde luego, en investigaciones criminales. Cuando Osamu Shimomura, un superviviente de la bomba atómica de Nagasaki, recolectó alrededor de un millón de individuos de la medusa de cristal (Aequorea victoria) entre 1961 y 1988 para determinar el secreto de su bioluminiscencia (una proteína llamada GFP),[*] poco se imaginaba que proporcionaría al mundo un marcador luminoso versátil que podría proporcionar claros atisbos de cómo se desarrollan las neuronas y cómo las células cancerosas se extienden por los tejidos.[157] Cuando nos topamos con un problema que impedía nuestro trabajo en vida sintética (el equivalente genético de imaginar cómo hacer funcionar el equipo lógico de un PC en un Mac), nuestra solución al mismo proporcionó una adehala en forma de una nueva manera de manejar trechos enormes de ADN.

Por aquella época habíamos realizado con éxito trasplantes de genoma en 2007 y también habíamos completado el laborioso ensamblaje de reactivos químicos en un genoma de M. genitalium de 582 970 pares de bases. Habíamos creado un genoma bacteriano sintético y lo habíamos hecho crecer satisfactoriamente en levadura. También habíamos podido purificar el cromosoma sintético a partir de la levadura, de modo que pudiera comprobarse mediante secuenciación del ADN. Sin embargo, nuestro proceso de utilizar células de levadura como vehículo para el ensamblaje final de los segmentos del genoma sintetizados químicamente significaba que teníamos a nuestro cromosoma procariota (bacteriano) creciendo en una célula eucariota (de la levadura). Con el fin de completar la construcción de nuestra célula sintética, necesitábamos aislar el cromosoma sintético de la levadura en una forma que permitiera trasplantarlo a la célula procariota receptora.

Llegados a este punto nos encontramos con varios problemas que no habíamos previsto. El primero se refería a la conformación de nuestro cromosoma sintético. Habíamos podido purificar el cromosoma sintético en las formas lineal y circular para la secuenciación del ADN, pero habíamos encontrado indicios en nuestro trabajo detallado en el trasplante de genoma que señalaban que podía ser necesario que el cromosoma estuviera intacto, lo que significaba que no podía haber ningún corte o mella en el ADN. Nuestro método de purificación era demasiado agresivo para proporcionarnos ADN intacto. Efectivamente, habíamos creado una grabación digital en un formato que no podía ser leído por ningún aparato reproductor.

El segundo problema era que nuestros esfuerzos para extender nuestro trabajo de trasplante de genoma a otra especie de micoplasma, M. genitalium, había sido infructuoso. Cuando trasplantamos el genoma de M. genitalium de nuevo a células de M. genitalium, el cromosoma siempre se recombinaba con el genoma existente. Este no era el único problema. Como ya sabíamos muy bien, aunque M. genitalium tenía el genoma más pequeño, no era un organismo ideal para el desarrollo de nuevos métodos, debido a su tasa de crecimiento, lenta hasta la frustración. Cada experimento tardaba hasta seis semanas antes de que aparecieran colonias. No obstante, seguimos bregando. Mientras dichos experimentos continuaban, decidimos que, debido a nuestro éxito en el trasplante del genoma de M. mycoides en las células de M. capricolum, emplearíamos estas especies de crecimiento más rápido para resolver el problema de obtener cromosomas intactos de las células de levadura. Nuestro primer paso consistió en ver si podíamos clonar todo el genoma de M. mycoides en la levadura. Este objetivo parecía alcanzable, dado nuestro éxito a la hora de crear un genoma sintético en un cromosoma artificial de levadura.

Este reto se le dio a Gwynedd Benders, un investigador posdoctoral que trabajaba con Clyde Hutchison. Para entonces se hacían crecer moléculas grandes de ADN de manera rutinaria y estable en levadura mediante la adición de un centrómero de levadura, una región especializada del genoma, que puede identificarse bajo el microscopio como la constricción en los cromosomas cuando forman una característica forma de «X» durante la división celular. Esta región pellizcada es el nexo de un cromosoma, que desempeña un papel esencial al asegurar que, cuando una célula se divide, cada célula hija herede una copia de cada cromosoma. Así, cuando se añade un centrómero a un fragmento grande de ADN, éste puede ser copiado y segregado, junto con los cromosomas de la levadura, durante la división celular. Con este método, podíamos hacer crecer cromosomas circulares. Añadiéndoles telómeros (estructuras que se encuentran al final de los cromosomas) las moléculas de ADN extrañas (exógenas) podían hacerse crecer asimismo en una forma lineal.

A partir de este trabajo inicial, desarrollamos tres aproximaciones diferentes a la clonación de cromosomas bacterianos completos en la levadura. En la primera, decidimos insertar el centrómero artificial de la levadura en el cromosoma bacteriano antes de que creciera en la levadura. En las aproximaciones segunda y tercera, lo hicimos todo simultáneamente: introducir el cromosoma bacteriano y el centrómero de la levadura con secuencias superpuestas que producirían su recombinación en la levadura. Resultó alentador que las tres aproximaciones tuvieron éxito, y en varios genomas, entre ellos el genoma de M. mycoides, el de H. influenzae y el genoma de un alga fotosintética.[158] Resulta muy interesante que el único requerimiento para convertir un cromosoma bacteriano en un cromosoma de levadura sea la adición de un pequeño centrómero sintético de levadura junto con un marcador seleccionable. Ahora teníamos un método que podíamos usar para comprobar diferentes maneras de hacer que un trasplante de genoma funcionara. Una vez tuvimos el genoma de M. mycoides clonado de manera estable en células de levadura, desarrollamos procedimientos para recuperar cromosomas intactos en una forma trasplantable.

Para comprobar el M. mycoides derivado de la levadura, lo trasplantamos como antes en células de M. capricolum. Sin embargo, aunque este experimento se intentó muchas veces, el equipo no pudo recuperar ninguna célula trasplantada. Realizaron controles utilizando el genoma de M. mycoides aislado de células de M. mycoides de tipo salvaje, y estos experimentos de trasplante de genoma siempre funcionaron, como habían hecho antes. Mientras yo estaba esperando los resultados, Ham Smith vino a verme y me soltó su devastador veredicto: «Los trasplantes de genoma a partir de la levadura no funcionan». El origen del problema parecía ser la levadura que nos había permitido manipular largos trechos de ADN bacteriano.

Ham Smith y yo habíamos discutido anteriormente qué podía distinguir un genoma de M. mycoides crecido en células de M. mycoides del mismo genoma crecido en células de levadura, de modo que durante una videoconferencia entre el equipo de Rockville y el equipo de La Jolla rápidamente nos centramos en la diferencia más obvia. Dentro de las células de M. mycoides el ADN está metilado específicamente (decorado con etiquetas moleculares llamadas grupos metilo). Cada uno de dichos grupos, derivados del metano, consiste en un átomo de carbono enlazado con tres átomos de hidrógeno (CH₃). Las células bacterianas emplean la metilación del ADN para protegerlo de ser cortado por sus propios enzimas de restricción: añadiendo grupos metilo a las bases de ADN reconocidas por el enzima de restricción. La levadura, sin embargo, no tiene los mismos enzimas de restricción ni los sistemas de metilación del ADN, y era improbable que las metilasas bacterianas se expresaran en la levadura debido a las diferencias en los codones. Razonamos que si el genoma de M. mycoides en la levadura no se hallaba realmente metilado, al trasplantarlo a M. capricolum los enzimas de restricción de las células patrón destruirían de inmediato el genoma trasplantado.

Nos decidimos a intentar dos aproximaciones para comprobar la idea de que la ausencia de metilación del ADN en la levadura era la razón de los fracasos del trasplante. En la primera clonamos los seis genes de metilación del ADN de M. mycoides para producir enzimas que metilaran el genoma de M. mycoides después de su aislamiento de las células de levadura. Este método funcionó bien; el trasplante de genoma funcionó finalmente con el genoma metilado aislado de las células de levadura. Si metilábamos el genoma de M. mycoides con extractos de células de M. mycoides o con metilasas de ADN clonadas y purificadas, era probable que pudiéramos trasplantar con éxito los genomas en las células de M. capricolum. Como prueba final de que el factor relevante era la metilación del ADN, eliminamos el gen del enzima de restricción del genoma de M. capricolum receptor, al razonar que, si la célula receptora carecía de enzimas de restricción, entonces deberíamos poder trasplantar directamente ADN desnudo de M. mycoides desde la levadura, sin necesidad de la metilación protectora. Este fue efectivamente el caso, y pon fin parecíamos tener todos los componentes necesarios para trasplantar cromosomas sintéticos.

El breve resumen que antecede no refleja el hecho de que resolver el problema de la metilación precisó en realidad de más de dos años de fatigas, pero en el proceso habíamos desarrollado un nuevo conjunto de herramientas muy potentes que nos permitían manipular cromosomas bacterianos de una manera que nunca antes había sido posible. La mayoría de tipos de células bacterianas no poseen los sistemas genéticos (como la recombinación homóloga) que se encuentran en las levaduras y en E. coli. Como resultado, es dificilísimo, por no decir imposible, producir cambios genéticos sustanciales en la mayoría de genomas bacterianos. Esta es una de las razones por la que la mayoría de científicos trabajan con E. coli: lo hacen simplemente porque pueden.

Sin embargo, ahora, añadiendo un centrómero de un eucariota (la levadura) al genoma de un procariota (la bacteria), podíamos hacer crecer el genoma bacteriano en la levadura, donde se comportaba exactamente igual que un cromosoma de levadura. Esto preparó el terreno para el uso del sistema de recombinación homóloga de la levadura para hacer cambios numerosos y rápidos en el genoma. Entonces éramos capaces de aislar el genoma bacteriano modificado, metilarlo si era necesario, y trasplantarlo en una célula receptora para crear una nueva versión celular. Esto supuso un avance notable en la manipulación genética. Antes de este descubrimiento, los científicos se habían visto limitados en gran parte a hacer chapuzas con genes individuales. Ahora podíamos manipular de forma rutinaria conjuntos de genes e incluso genomas enteros. Publicamos los resultados en Science en septiembre de 2009.[159]

Para entonces habíamos desarrollado nuevas maneras de sintetizar ADN a una escala veinte veces superior a la que había sido posible antes; habíamos desarrollado la metodología para trasplantar el genoma de una especie a otra para crear una nueva especie; y habíamos resuelto los problemas de modificación del ADN por la destrucción del ADN trasplantado por enzimas de restricción. Nosotros, y muchos de aquellos científicos que seguían nuestros progresos, estábamos preparados para ver si finalmente podíamos tener éxito en la creación de una célula basada en un genoma sintético. Ahora que habíamos demostrado que podíamos ir de la levadura al micoplasma, el paso siguiente era ir del ADN sintético en la levadura al micoplasma. Estábamos preparados para combinar todas estas nuevas aproximaciones para hacer historia. Pero ¿usábamos el micoplasma adecuado?

Mientras lográbamos un gran avance en el uso de la levadura para manipular grandes fragmentos de ADN, nuestros equipos continuaban tenazmente con sus intentos de trasplantar el genoma sintético de M. genitalium, pero sin mucho éxito. Parecía como si pudiéramos convertir la especie mayor M. pneumonia en M. genitalium mediante trasplante del genoma nativo, pero no podíamos conseguir el mismo resultado con la versión sintética. Al final, descubrimos que las células receptoras de M. pneumonia contenían una nucleasa en su superficie celular que degradaba cualquier ADN al que se hallara expuesta.

Pero nos continuaba fastidiando el crecimiento lentísimo de las células de genitalium, que limitaban mucho el número de experimentos que podían hacerse. Para todos nosotros, pero en particular para mí, tener que esperar durante semanas para obtener resultados no era sólo frustrante: era doloroso. Algo tenía que cambiar. Mientras hacíamos progresos con la metilación y el trasplante del ADN, también habíamos inventado una manera más rápida de crear ADN sintético, una hazaña técnica que nos iba a proporcionar nuevas oportunidades en nuestro esfuerzo para trasplantar ADN bacteriano sintético. Como describí anteriormente, nuestras fases iniciales de síntesis de ADN requerían varios pasos, empezando por el ensamblaje de oligonucleótidos cortos en constructos mayores. Sin embargo, Dan Gibson había simplificado mucho este método, de manera que ahora teníamos un proceso de un único paso.

Las reacciones de ensamblaje de ADN que Dan había usado para su nuevo método eran muy parecidas a las que nosotros habíamos empleado en nuestro trabajo inicial, excepto que Dan hizo el importante descubrimiento de que todas podían efectuarse en un único tubo y a una única temperatura. Dan se había dado cuenta de que las exonucleasas que cortan una hebra de ADN no compiten con la polimerasa del ADN que utilizábamos para rellenar las bases que faltaban en el ADN. Asimismo, cuando todos los enzimas se combinan en una única reacción a cincuenta grados centígrados, la exonucleasa se inactiva rápidamente a esta temperatura, y por lo tanto puede arrancar sólo las bases suficientes para permitir que los fragmentos de ADN se templen unos con otros.

Este trabajo representó un gran avance sobre nuestro enfoque previo, que era tedioso y exigía mucha mano de obra. El poder de este «ensamblaje o montaje de Gibson», como lo llamamos, reside en su gran simplicidad. Hasta entonces, habíamos sido reacios a plantearnos una repetición del esfuerzo maratoniano que había sido necesario para crear nuestro primer cromosoma sintético, M. genitalium JCVI1.0, a partir de diez mil fragmentos de ADN, por no hablar ya de intentar nada de mayor tamaño. Desde el principio creímos que la química de la síntesis genómica sería el problema más duro que habría que resolver; ahora, el desarrollo de la tecnología de síntesis me dio la confianza para realizar un cambio importante en la dirección del programa.

Hablé con Ham Smith y le dije que habíamos adoptado el enfoque equivocado. Puesto que era probable que nunca tuviéramos éxito trabajando (mejor dicho, bregando) con el lento crecimiento de M. genitalium, le dije: «Quiero que detengamos todo el trabajo con él, y que usemos nuestras nuevas técnicas para sintetizar el genoma de M. mycoides». Esto eran palabras mayores, puesto que el genoma de mycoides era el doble de grande que el de genitalium. Pero para entonces sabíamos cómo trasplantar el genoma de M. mycoides desde la levadura, y cómo hacer células de M. mycoides a partir de células de M. capricolum; armados con el ensamblaje de Gibson podríamos, en teoría, ser capaces de construir de manera relativamente rápida un genoma de 1,1 millones de pares de bases.

Al principio, encontré una fuerte resistencia por parte de mi equipo, y visto en retrospectiva no me extraña el rechazo inmediato de esta proposición radical, de no sólo empezarlo todo de nuevo, sino de buscar un objetivo todavía más ambicioso. Dan Gibson, de manera nada sorprendente, estuvo de acuerdo con mi cambio de plan, mientras que Ham Smith y el resto del equipo querían seguir en la senda existente, con su conjunto familiar de problemas, pero centrados en buscar maneras de resolverlos, aunque ello supusiera seguir ajobando con las células de crecimiento lento de genitalium. Sin embargo, después de varias tandas de discusiones, y después de que todos hubieran tenido mucho tiempo para meditar sobre mi idea, las opiniones empezaron a cambiar. Ham vino a verme y concedió que cambiáramos de direcciones; inmediatamente llamamos a Dan Gibson y le dijimos que empezara con la síntesis del genoma de M. mycoides.

Una de las razones por las que el equipo se había mostrado inicialmente reacio a este nuevo enfoque era que todavía no teníamos una secuencia genómica precisa del genoma de M. mycoides. Empezamos el diseño y la síntesis mientras secuenciábamos rápidamente dos cepas. Nuestras dos secuencias del genoma de aislados de M. mycoides diferían entre sí en noventa y cinco lugares de la secuencia. Puesto que la levadura desempeñaba ahora un papel fundamental en el ensamblaje de genomas sintéticos, escogimos la secuencia del aislado que ya habíamos clonado con éxito en la levadura y trasplantado a las células receptoras.

Empezamos diseñando 1078 cartuchos, cada uno de los cuales tenía 1080 pares de bases de longitud y se solapaba con sus vecinos en ochenta pares de bases. Para permitirnos cortar las secuencias montadas de los vectores en los que crecieron, añadimos a los cartuchos otra secuencia de ocho bases que el enzima de restricción NotI reconocía como lugares de corte. Incluimos asimismo cuatro marcas de agua para ayudar a distinguir nuestro genoma sintético de cualquier especie de presencia natural. Las marcas de agua iban de 1081 a 1246 pares de bases y contenían un código único que estaba diseñado para permitirnos escribir números y palabras en inglés. Nos preocupamos de insertar las marcas de agua en regiones del genoma que experimentalmente habíamos mostrado que no afectarían a la viabilidad de la célula. Con el diseño completo, pedimos los 1078 cartuchos a Blue Heron, una de las primeras compañías de síntesis de ADN, radicada en Bothell, Washington. La compañía ensambló los segmentos de 1080 pares de bases a partir de oligonucleótidos sintetizados químicamente, los secuenció para asegurarse de que cumplían nuestras especificaciones y nos los envió.

Ahora podíamos empezar de veras la construcción del organismo sintético. Utilizamos una construcción jerárquica que tuvo lugar en tres fases. Primero, empleando el montaje de Gibson, construimos a partir de los cartuchos de 1080 pares de bases una serie de 111 cartuchos más largos, cada uno de ellos de alrededor de diez mil pares de bases (10kb). Como siempre, la exactitud era importantísima, de modo que secuenciamos los 111 y encontramos errores en diecinueve. Estos errores de secuencia se corrigieron, y los clones de 10kb se volvieron a montar y a secuenciar después para verificar que eran correctos.

En la segunda ronda del montaje del genoma, ensamblamos cartuchos de 10kb superpuestos para formar cartuchos de 100 000 pares de bases (que también secuenciamos para comprobar su exactitud). Finalmente, combinamos los once cartuchos de 100kb resultantes en la levadura para obtener la secuencia de 1,1 millones de pares de bases del genoma de M. mycoides. De nuevo, tuvimos que verificar que el montaje había funcionado, y usamos la PCR y digestión con enzimas de restricción para confirmar que teníamos la estructura de genoma correcta.

Por fin estábamos listos para intentar crear la primera célula sintética mediante el trasplante de todo el genoma sintético de M. mycoides procedente de la levadura en las células receptoras de M. capricolum. Como antes, el éxito lo señalaría la presencia de células azules. El primer trasplante se hizo un viernes, y esperamos ansiosos todo el fin de semana para ver si el lunes por la mañana aparecían clones azules. Pero el lunes llegó y se fue sin resultados positivos. El trasplante se repitió los dos viernes siguientes, pero de nuevo sin colonias azules, sólo con lunes azules.[*]

En retrospectiva resulta claro que estábamos muy cerca del éxito, pero entonces no nos lo parecía. Después de comprobar todos los controles estábamos convencidos de que un error de diseño o de secuencia tuvo que haber conseguido superar las diversas comprobaciones que habíamos hecho durante la síntesis del genoma. Puesto que habíamos secuenciado el ADN supusimos que el error tenía que haber ocurrido en una de las secuencias originales que habíamos usado en el diseño del genoma. Con el fin de comprobar nuestro código tuvimos que crear el equivalente biológico de lo que el programador de una aplicación informática reconocería como programa de corrección de errores. El sistema operativo de un ordenador moderno es enorme, alcanza decenas de millones de líneas de código,[160] y a lo largo de décadas los ingenieros han desarrollado programas inteligentes de corrección de errores que les ayudan a encontrar los fallos.

Vladimir Noskov, un científico de plantilla en el Grupo de Biología Sintética y Bioingeniería del JCVI, en Maryland, era nuestro gurú de la levadura. Noskov se había graduado en la Universidad Estatal de San Petersburgo, en Rusia, y después hizo allí un doctorado en genética de levaduras. Después de pasar cinco años en Japón estudiando la replicación del ADN cromosómico y un «punto de control» en el ciclo celular de la levadura, donde se realiza la supervisión y la reparación del ADN, trabajó en los Institutos Nacionales de Salud, en Bethesda. Allí, en el Grupo de Estructura y Función de los Cromosomas, Noskov inventó varias aplicaciones para una técnica para manipular fragmentos grandes de ADN en levadura, conocida como clonación por recombinación asociada a transformación (TAR),[*] que ofrece ventajas sobre un método más antiguo que se basa en lo que se denominan cromosomas artificiales de levadura, o YAC. que ofrece ventajas sobre un método más antiguo que se basa en lo que se denominan cromosomas artificiales de levadura, o YAC.[**]

Para nuestro corrector de errores biológico, decidimos empezar con los once segmentos de 100 000 pares de bases. Noskov, empleando la clonación TAR, construyó segmentos de tamaño equivalente a partir del genoma nativo de M. mycoides, de modo que podíamos sustituir de manera independiente cada uno con un segmento sintético para ver si podrían soportar la vida. A partir de estos experimentos complejos encontramos que todos los once segmentos sintéticos de 100kb, menos uno, eran compatibles con la vida. Como prueba final, Dan Gibson construyó un genoma híbrido con diez segmentos sintéticos y un segmento nativo y obtuvo trasplantes con éxito.

Una vez hubimos establecido qué segmento contenía un error o errores que no soportaban la vida, secuenciamos de nuevo el ADN, esta vez empleando el método de secuenciación de Sanger, muy preciso, y encontramos que había una única deleción o supresión de un par de bases. Si esto parece tan trivial como escribir «equvocación» en lugar de «equivocación», comparar los nucleótidos a letras individuales es un poco engañoso, en el sentido de que el código de ADN se lee de tres en tres nucleótidos, de manera que cada combinación, o codón, corresponde a un único aminoácido en una proteína. Esto significa que una única supresión de una base cambia efectivamente el resto de la frase genética que sigue, y con ello la secuencia de aminoácidos que la frase codifica. A esto se le llama una «mutación con desplazamiento de marco de lectura»; en este caso, el desplazamiento de marco de lectura tuvo lugar en el gen esencial adnA, que promueve que el ADN se desenrolle en el origen de replicación de manera que la replicación pueda iniciarse, con lo que se puede producir un nuevo genoma. Esta simple deleción de una base impedía la división celular y con ello hacía imposible la vida. Una vez hubimos encontrado el error crítico, pudimos volver a montar correctamente el segmento de 100kb y utilizar la levadura para ensamblar de nuevo todo el genoma. Ahora estábamos listos, una vez más, para intentar el experimento de trasplante de genoma.

Como antes, el experimento crítico se inició un viernes, de manera que las colonias que tuvieran éxito tendrían tiempo suficiente para crecer y aparecer como puntos azules el lunes siguiente. Dan Gibson nos informó mediante un mensaje electrónico del último intento:

Craig, Ham, Clyde y John, el genoma completamente sintético (con cuatro marcas de agua y sin mutación del adnA) se trasplantará hoy. El genoma tiene un magnífico aspecto. Fue analizado mediante PCR multiplex en cada una de las 11 uniones y en las cuatro secuencias de marcas de agua. También se comprobó mediante digestión de restricción y análisis FIGE.[*] Al mismo tiempo, se trasplantarán dos clones de levadura que contienen 10/11 genomas semisintéticos. Dichos genomas se analizaron como se ha indicado anteriormente y también tienen muy buen aspecto. Enviaré un mensaje electrónico el lunes por la mañana, pero recordad que las colonias han estado apareciendo más tarde de lo normal, de modo que quizá no tengamos una respuesta hasta el martes.

Aquella tarde, Dan le había dado un minúsculo vial a su colega Li Ma, quien estaba sentada ante una campana de bioseguridad, una de las áreas de trabajo cerradas y con filtros HEPA[*] que empleamos en nuestros laboratorios para trabajar en condiciones estériles. El vial contenía un diminuto taco de agarosa en el que estaban embutidos unos cuantos millones de cromosomas microscópicos de ADN circular, cada uno de ellos correspondiente a nuestro genoma sintético de 1 078 809 pares de bases. Este era el código sintético de ADN para los 886 genes de M. mycoides, junto con nuestras marcas de agua. Li añadió gotas del enzima que disolvería el gel para dejar atrás los genomas sintéticos, que después añadió a un segundo vial minúsculo que contenía las células receptoras de M. capricolum, seguido de polietilén glicol para hacer las membranas permeables al ADN. Li extendió las células en una cápsula de Petri de agar rojo, una receta que nutriría a las nuevas células con azúcar y aminoácidos. El agar estaba también aderezado con tetraciclina para matar a cualesquiera células receptoras que no incorporaran el genoma sintético y el X-gal que las nuevas células utilizarían para volverse de color azul intenso si contenían el genoma trasplantado. Más avanzada la tarde, Li colocó las placas de Petri en una incubadora para mantener las células a una temperatura constante de treinta y siete grados centígrados. Si se producían nuevas células, necesitarían un par de días para dividirse el número suficiente de veces para producir un millón de células hijas, que constituirían una pequeña colonia visible a simple vista.

Durante el fin de semana, mi nivel de ansiedad era muy alto. Parecía que no llegaba nunca el momento de ver si nuestras modificaciones del genoma habían tenido éxito. Finalmente, el lunes por la mañana muy temprano, Dan Gibson, expectante y con las manos temblorosas, abrió la puerta de la incubadora y empezó a extraer, de una en una, las cápsulas de Petri. Dejando las mejores para el final, empezó con las placas de control (las que le indicarían que Li Ma había seguido los procedimientos correctos) y levantó cada una a la luz para comprobar si había alguna colonia visible. Después pasó a las que contenían ADN sintético. Allí, un poco separada del centro de una cápsula, había una (y sólo una) colonia de células de color azul vivo.

Dan hizo una pausa para apreciar la importancia de aquel momento. Después de contemplar durante unos minutos la cápsula de Petri, volvió a colocar todas las cápsulas en la incubadora y me envió un sencillo mensaje de texto a las 4 de la madrugada (hora de Rockville): «Tenemos un trasplante azul». Habíamos recorrido un camino muy largo, padecido muchos fracasos, muchos años de esfuerzos de prueba y error, de solución de problemas y de invenciones. Al final, parecía que todo el esfuerzo había valido definitivamente la pena.

Mientras el experimento se desarrollaba en Rockville yo me encontraba en nuestro domicilio particular en Alexandria, Virginia, de modo que me hallaba en la misma zona horaria que Dan. Siguieron una serie de intercambios epistolares. Dan volvió a enviar un mensaje electrónico: «¡Hasta ahora, han aparecido una o dos colonias azules del trasplante con el genoma sintético completo! Es demasiado pronto para hacer un recuento preciso del número de trasplantes, pero estoy seguro de que este número será mayor. Volveremos a mirar hoy, más avanzado el día, y haremos un recuento final mañana». Necesitábamos validar que la colonia azul contenía únicamente el ADN sintético. Le dije que estaría en el instituto hacia las 10 de la mañana, y le pregunté cuánto tardarían los primeros resultados de la validación.

Tomé mi videocámara y un par de botellas de champán y siguiendo la Avenida Conmemorativa de George Washington me dirigí a Rockville. Tan pronto llegué, fui directamente a la sala de trasplantes, donde encontré a Dan, rebosante de alegría y ya rodeado por el resto del equipo. Después de algunos cálidos apretones de mano, Dan me llevó hasta la incubadora y extrajo la placa de cultivo para mostrarme la primera colonia azul. Tomamos algunas fotos de la colonia y cuidadosamente colocamos de nuevo en la incubadora lo que sin duda iba a ser la primera forma de vida con un genoma completamente sintético.

Más tarde, aquel mismo día, recibía la primera confirmación de que la placa de cultivo contenía el genoma sintético: «¡Felicidades! Es oficial. ¡Eres el orgulloso padre de una célula sintética de mycoides!». Reuní a todo el equipo en la sala de sesiones en Rockville y nos conectamos mediante vídeo al resto del equipo del genoma sintético, en La Jolla. (Me había asegurado de que el equipo de La Jolla dispusiera asimismo de buena cantidad de champán helado). Aunque la verificación final de los resultados tardaría algunos días, todos celebramos nuestro éxito aparente.

La primera confirmación nos llegó de Dan a las 7.45 de la mañana del martes: «Buenas noticias. Todas las cuatro secuencias de marcas de agua aparecen en la PCR multiplex en el trasplante sintético único. Las marcas de agua no aparecen en el WT[*] [tipo salvaje] ni en los controles negativos de M. capricolum que no tienen colonias». El jueves 1 de abril, Dan envió por correo electrónico los resultados de una segunda tanda de experimentos: «El genoma sintético completo fue trasplantado de nuevo. ¡Esta vez produjo muchas colonias! Además, el clon de un segundo genoma sintético produjo también muchas colonias. Ahora voy a poner el globo de “¡Feliz cumpleaños!” en la sala de trasplantes».

Ya al día siguiente tuvimos la confirmación todavía más sólida de que sólo el genoma sintético controlaba las nuevas células: «¡Gran noticia! El trasplante sintético produce los fragmentos de restricción esperados cuando se digiere con AscI y BssHII». (Los lugares que estos enzimas de restricción habían cortado se añadieron a tres de las cuatro secuencias de marcas de agua). El 21 de abril tuvimos los resultados de la secuenciación del ADN procedente de las células sintéticas vivas, y ya no había lugar a dudas: la célula había sido controlada sólo por el genoma que habíamos diseñado y sintetizado. La secuencia mostraba que nuestro genoma tenía los 1 077 947 pares de bases, exactamente como se pretendía, incluidas diecinueve diferencias esperadas con respecto al genoma nativo, así como las cuatro secuencias de marcas de agua, una parte fundamental de la prueba de que el ADN era sintético. Tal como habíamos sospechado, una deleción de una única letra de un total de más de un millón de pares de bases de ADN había hecho la diferencia entre la vida y la no vida. No puedo imaginar una ilustración más espectacular de cómo la información desempeña un papel central en la vida.

Habíamos dedicado un esfuerzo importante al diseño de nuestras marcas de agua para asegurarnos de que podríamos codificar con seguridad mensajes complejos en la secuencia de ADN. En el primer genoma sintético utilizamos la abreviatura de una sola letra de los aminoácidos codificados por el triplete del codón para que representara letras del alfabeto inglés. Por ejemplo, el triplete ATG codifica el aminoácido metionina, que utiliza como abreviatura la letra «M». Pero puesto que la gama de códigos de aminoácidos no incluye abreviaturas que cubran las 26 letras del alfabeto, diseñamos un sistema mucho más complejo que nos permitiera codificar todo el alfabeto inglés junto con puntuaciones, número y símbolos. (La serie AB CDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ [NUEVA LÍNIA] [ESPACIO] 0123456789#@(-+\=/: <;>$&}{*]%!’., estaba representada, respectivamente, por TAG, AGT, TTT, ATT, TAA, GGC, TAC, TCA, CTG, GTT, GCA, AAC, CAA, TGC, CGT, ACA, TTA, CTA, GCT, TGA, TCC, TTG, GTC, GGT, CAT, TGG, GGG, ATA, TCT, CTT, ACT, AAT, AGA, GCG, GCC, TAT, CGC, GTA, TTC, TCG, CCG, GAC, CCC, CCT, CTC, CCA, CAC, CAG, CGG, TGT, AGC, ATC, ACC, AAG, AAA, ATG, AGG, GGA, ACG, GAT, GAG, GAA, CGA, GTG). Este código era la clave para descifrar las marcas de agua. La primera marca de agua incluía «J. Craig Venter Institute» y «Synthetic Genomics Inc.», los nombres de varios científicos y el mensaje «Demuestra que has descifrado esta marca de agua enviándonos un correo electrónico (a: MROQSTIZ@JCVI.org)». Al ser la primera especie viva autorreplicante que tenía un ordenador como progenitor, había de tener su propia dirección de correo electrónico.

Con nuestro primer genoma sintético nos veíamos limitados a usar el código de aminoácidos para añadir cualquier mensaje significativo; ahora, con nuestro nuevo código, yo quería señalar el momento histórico incluyendo algunas citas apropiadas procedentes de la literatura. Encontré tres que creí que eran, a la vez, importantes y relevantes para el primer ser vivo sintético. La primera cita se encuentra en la segunda marca de agua: «Vivir, equivocarse, caer, triunfar, recrear la vida a partir de la vida». Esta, desde luego, procede de Retrato del artista adolescente, de James Joyce. La tercera marca de agua incluía, junto a los nombres de varios científicos, la segunda cita: «Ver las cosas no como son, sino como podrían ser», atribuida a uno de los primeros profesores del físico J. Robert Oppenheimer, del Proyecto Manhattan, y que se cita en la biografía American Prometheus. La cuarta marca de agua contenía los restantes nombres de los cuarenta y seis científicos y una cita del físico cuántico y premio Nobel Richard Feynman: «Aquello que no puedo crear, no lo entiendo».

Habíamos logrado lo que casi quince años antes había sido sólo un sueño disparatado, y efectivamente habíamos cerrado un círculo completo. Empezando con ADN procedente de células, aprendimos cómo leer exactamente la secuencia de ADN. Digitalizamos con éxito la biología al convertir el código químico analógico de cuatro letras («A», «T», «C», «G») en el código digital del ordenador (unos y ceros). Ahora habíamos avanzado con éxito en la otra dirección, empezando con el código digital en el ordenador y recreando la información química de la molécula de ADN, y después a su vez creando células vivas que, a diferencia de cualquiera de las que hubo antes, no tenían historia natural.

La teoría, que sostenían al menos la mayoría de biólogos moleculares, era que el ADN y el genoma, representados por la secuencia de letras en el ordenador, era el sistema de información de la vida. Ahora habíamos cerrado el círculo al empezar con la información digital en un ordenador y, utilizando únicamente esta información, habíamos sintetizado químicamente y ensamblado todo un genoma bacteriano, que se trasplantó a una célula receptora, lo que resultó en una nueva célula controlada sólo por el genoma sintético. Llamamos a nuestra nueva célula M. mycoides JCVI-syn 1.0 y trabajamos para tener nuestros resultados listos para publicar.

Envié nuestro original, con veinticuatro coautores, a Science el 9 de abril de 2010. Informamos a funcionarios de la Casa Blanca, a miembros del Congreso y a funcionarios de varias agencias gubernamentales antes de que el artículo fuera aceptado para su publicación el mes siguiente, el 13 de mayo.

El día de su publicación en línea, el 20 de mayo de 2010 (la versión impresa apareció el 2 de julio),[161] medios de comunicación de todo el mundo se reunieron en Washington, D. C., para nuestra conferencia de prensa. Junto a los editores de Science, anunciamos el primer genoma sintético funcional. Ham Smith explicó a la audiencia que ahora teníamos los medios para disecar las instrucciones de una célula para determinar cómo funcionaba realmente. También discutimos nuestra visión a largo plazo, a saber, que el conocimiento que se había obtenido al hacer este trabajo conduciría indudablemente algún día a un resultado positivo para la sociedad mediante el desarrollo de muchos productos y aplicaciones importantes, entre ellos biocombustibles, medicamentos, agua limpia y productos alimentarios. Cuando hicimos el anuncio, en realidad ya habíamos empezado a trabajar en maneras de producir vacunas y de crear algas sintéticas que transformaran el dióxido de carbono en combustible.

9

En el interior de una célula sintética

El primer montante de la vida es un programa. Por programa quiero decir un plan organizado que describa tanto los propios ingredientes como la cinética de las interacciones entre los ingredientes a medida que el sistema vivo persiste a lo largo del tiempo.

DANIEL E. KOSHLAND, Jr., 2002[162]

Las definiciones son importantes en ciencia. Pero a veces es igual de importante no obsesionarse demasiado con ellas, en particular cuando uno se aventura en un área nueva, pues pueden ser distracciones que obstaculicen cómo pensamos y qué hacemos. Pueden convertirse en una trampa, como lo hicieron en la primera mitad del siglo XX, cuando los científicos estaban seguros de que las proteínas constituían el material genético. Richard Feynman dictó una famosa advertencia acerca de los peligros de intentar definir algo con precisión total: «Nos adentramos en aquella parálisis del pensamiento que les llega a los filósofos… en que uno le dice al otro: “¡Tú no sabes de lo que hablas!”. Y el segundo replica: “¿Qué quieres decir con hablas? ¿Qué quieres decir con tú? ¿Qué quieres decir con sabes?”».[163]

Cuando desvelamos los detalles del primer organismo sintético en nuestra publicación en Science, definimos lo que habíamos hecho y cómo lo habíamos hecho. Definimos los términos «vida sintética» y «células sintéticas» de una manera razonablemente específica, como células completamente controladas sólo por un cromosoma de ADN sintético. El genoma sintético era el equipo lógico de la vida, que especificaba todos los robots proteínicos de la célula, y por lo tanto todas y cada una de las funciones celulares. Sin embargo, a partir de la respuesta pública a nuestro anuncio y a nuestra publicación científica, era obvio que algunos encontraban difícil aceptar el concepto de vida como un sistema de información.

Este escepticismo se hizo todavía más evidente en la subsiguiente cobertura que los medios hicieron en todo el mundo. La mayoría de informes eran muy positivos… o incluso demasiado positivos. Un profesor declaró que yo estaba «forzando la puerta más profunda de la historia humana», y añadía que «estaba encaminado a hacer el papel de un dios».[164] Algunas noticias eran más sobrias y cualificadas. La BBC declaró que era «un gran descubrimiento», unas palabras algo manidas, y Time lo listó entre sus principales avances médicos de 2010. The New York Times citaba a investigadores que pensaban que habíamos conseguido una proeza técnica, si no un verdadero descubrimiento. Los biólogos, en general, estaban impresionados, según Maverick Genius, la biografía de Freeman Dyson, el influyente profesor de física de origen inglés, del Instituto de Estudios Avanzados, de Princeton, que escribió Phillip F. Schewe. Parece que el mismo Dyson dijo que mi experimento era chapucero, pero «un trabajo importante, pues era un gran paso hacia la creación de nuevas formas de vida».[165] Después de manera inevitable, llegaron las consabidas preocupaciones de algunos ambientalistas extremos[166] y el típico sensacionalismo de los tabloides británicos.[167] Uno de ellos se había preguntado quejumbrosamente de nuestra célula: «¿Podría aniquilar a la humanidad?».[168]

Las críticas más importantes se centraban en el verdadero significado de crear una célula controlada por equipo lógico de ADN. ¿Contaba esto como vida sintética? Algunos señalaron correctamente que nuestro genoma sintético se basaba estrechamente en un genoma existente, y por lo tanto no contaba como realmente sintético, al tener un antepasado natural en la forma de M. mycoides. Pero, tal como señalaba Schewe, se contaban también aquellos biólogos que estaban absolutamente seguros de que no habíamos creado vida sintética en absoluto porque habíamos usado una célula receptora natural, y argumentaban que este término debería reservarse para la creación de un ser vivo «de la nada». Y, efectivamente, la Comisión de Bioética del presidente Obama estuvo de acuerdo en que nuestro trabajo, «aunque extraordinario en muchos aspectos», y una prueba de principio, no suponía crear vida, porque habíamos usado un patrón natural existente, una célula que ya estaba viva.[169] Varias versiones más suaves de este razonamiento planteaban varias cuestiones diferentes en un intento de rebajar la importancia de lo que habíamos logrado. El periódico del Vaticano L’Osservatore Romano,[170] en una afirmación que, por otra parte, era principalmente positiva y provechosa, concluía que nuestro equipo no había creado vida, sino que sólo había «cambiado uno de los motores de la vida».

Esta gama diversa de opiniones nos dice varias cosas. Todavía no hay una definición sobre la que nos hayamos puesto de acuerdo de lo que queremos decir realmente con esta fastidiosa palabra, «vida», por no hablar ya de «vida sintética», «vida artificial» o «vida a partir de la nada». Desde luego, las definiciones dependían de las tradiciones de los que las habían dado. El término «vida artificial» tenía un significado muy diferente en los círculos científicos en la década de 1990, cuando se empleaba principalmente para referirse a la replicación en un ordenador. Puede encontrarse un ejemplo en el trabajo de Thomas S. Ray, quien en 1996 escribió acerca de sistemas que «evolucionan libremente dentro del medio digital, como la evolución mediante selección natural en el medio de carbono que generó la vida en la Tierra». El objetivo primario de este trabajo, explicaba, «es provocar la evolución digital para generar complejidad dentro del medio digital, comparable en magnitud a la complejidad de la vida orgánica».[171]

Hay una clara distinción entre nuestro trabajo con cromosomas sintéticos en biología húmeda y la simulación de vida artificial en duro silicio. «Vida artificial» es un término que se usaba tradicionalmente para describir lo que ocurre en el mundo digital, mientras que «vida sintética» tiene sus orígenes en el mundo digital pero también abarca la vida en el mundo biológico. Incluso así, la vida in vivo y la vida in silico están unidas por el concepto de sistemas accionados por la información, y nuestro trabajo con una célula sintética proporciona la primera conexión directa entre ambas.

Ahora sabemos que el código correcto de ADN, presentado en el orden adecuado y colocado en el contexto químico apropiado puede producir nueva vida a partir de vida ya existente. Con la célula sintética, construimos sobre una base de tres mil quinientos millones de años de evolución, y no intentamos recapitularla: puesto que habíamos modificado el genoma, no había un antepasado directo que pudiera encontrarse en la naturaleza de la célula que habíamos creado. Con nuestro código sintético habíamos añadido un nuevo afluente al río de la vida.

Ahora sabemos cómo escribir dicho código de novo, con ayuda de ordenadores, lo que abre el potencial para diseñar casi cualquier tipo de ser vivo, a medida que descubramos más detalles de la maquinaria de la vida. Como consecuencia de este trabajo en mi laboratorio, podemos definir «vida sintética» como biología autorreplicante basada en un genoma sintético, un código sintético. Mientras escribo esto, mis equipos han diseñado nuestro primer intento de un genoma mínimo, basado principalmente en primeros principios, que consistirá en aquellos genes que creemos que son necesarios para la vida. Como se ha comentado anteriormente, el genoma contiene todavía un porcentaje importante de genes cuyas funciones no se han determinado, aparte de que, mediante experimentos detallados, sabemos que son absolutamente necesarios para que las células vivan. Estamos usando una célula receptora, al igual que hicimos con nuestra primera célula sintética, para poner en marcha este nuevo equipo lógico de la vida.

Las implicaciones de nuestra capacidad para diseñar vida son profundas. Desde el trabajo pionero de Robert Hooke, en el siglo XVII, sabemos que todos los seres vivos están construidos a partir de una o más células. Hoy en día, ajustando su programación genética, podemos alterar potencialmente la estructura y la función de cualquier célula que queramos, para crear una asombrosa variedad de vida, desde células de levadura de tamaño muy pequeño[172] hasta peces de crecimiento rápido.[173] También podemos explorar el antiguo mecanismo empleado para generar la organización tridimensional de una célula a partir de un equipo lógico genético unidimensional.

Hasta donde sabemos, toda la vida celular que existe en nuestro planeta se originó a partir de tipos de células primigenias. Cada una de estas unidades fundamentales de vida, incluidas las aproximadamente 5.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000 bacterias de la Tierra,[174] desciende de las primeras células que vivieron hace alrededor de cuatro mil millones de años. Llegaran o no estas células de otro planeta, mediante el proceso conocido como panspermia, o fueran esparcidas por formas de vida inteligente mediante lo que Francis Crick llamó «panspermia dirigida»,[175] el origen último de las primeras células sigue siendo un misterio.

Cuando hay un misterio, hay una oportunidad para que el vitalismo y la religión medren. Sin embargo, cuando mi equipo puso en marcha con éxito equipo lógico de ADN sintético dentro de una célula, demostramos que nuestra comprensión básica de la maquinaria de la vida celular había progresado hasta un punto significativo. En respuesta a la pequeña pregunta de Erwin Schrödinger, «¿Qué es la vida?», habíamos podido proporcionar una respuesta convincente: «El ADN es el equipo lógico y la base de toda la vida».

Pero dado que empezamos con una célula ya existente y toda su maquinaria proteínica, sigue planteada la pregunta de si las células modernas, que son el resultado de miles de millones de años de evolución, pueden ser recreadas realmente a partir de los componentes básicos de la vida. ¿Podemos inducir todas las funciones celulares complejas para que operen sin necesitar inicialmente la protección de una membrana celular?, y, si es así, ¿podemos utilizar las proteínas aisladas y los componentes químicos para poner en marcha un cromosoma sintético y, en el proceso, crear un nuevo tipo de célula autorreplicante? ¿Podemos hacer crecer en el laboratorio un organismo que represente una rama completamente nueva del árbol de la vida, un representante de lo que a algunos les gusta llamar el reino Sintético? En teoría, al menos, podemos. La ciencia del siglo que viene será definida por nuestra capacidad de crear células sintéticas y para manipular la vida.

Mi confianza se basa en parte en los enormes avances que se han realizado desde 1965, cuando se sugirió por vez primera que la síntesis de células vivas se convirtiera en un objetivo nacional para Estados Unidos de América.[176] A lo largo de los últimos años hemos visto el auge de la biología sintética, una fase emergente de investigación en biología molecular. El campo representa un cambio notable con respecto a la experimentación reduccionista que, durante décadas, ha sido un potente método para ayudarnos a comprender las células, al revelar sus constituyentes, dinámica y ciclos. Ahora hemos de ver si podemos montar todos estos múltiples componentes celulares de maneras novedosas para crear nueva vida. Cuando alcancemos este hito, habremos abierto un nuevo capítulo en nuestra comprensión de la vida y, así lo creo, tendremos una respuesta completa a la difícil pregunta de Schrödinger.

Aun cuando consigamos la vida a partir de un sistema sin células, tampoco podrá considerarse «vida a partir de la nada», sea lo que sea que esto signifique. Dudo que ninguna de las personas que haya empleado esta frase haya pensado mucho acerca de lo que intentan expresar realmente con ella. Pongamos como ejemplo hacer un pastel «a partir de la nada o desde cero» para ilustrar lo que quiero decir. Podemos imaginar que compramos un pastel y que después lo garapiñamos en casa. O que compramos un preparado para hacer el pastel, al que sólo añadimos huevos, agua y aceite. La mayoría consideran que hornear un pastel «a partir de la nada» implica combinar los ingredientes individuales, como levadura química, azúcar, sal, huevos, leche, manteca, etc. Al utilizar «desde cero» en este contexto, dudo que nadie quiera decir formular su propio polvo de hornear mediante la combinación de sodio, hidrógeno, carbono y oxígeno para producir bicarbonato sódico, o producir almidón de maíz casero, que es un carbohidrato muy ramificado compuesto por un gran número de unidades de glucosa unidas mediante enlaces glicosídicos. La glucosa, por su parte, está formada por carbono, hidrógeno y oxígeno. Si aplicamos las mismas estructuras a crear vida «desde cero», podría significar producir todas las moléculas necesarias, proteínas, lípidos, orgánulos, ADN, etcétera, a partir de sustancias químicas básicas o quizá incluso a partir de los elementos fundamentales: carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, fósforo, hierro, etc. El origen de los mismos ingredientes primarios, sustancias químicas orgánicas, no está relacionado con el asunto, aunque es relevante para la enorme pregunta de de dónde vino la vida, para empezar. La naturaleza de la química en los albores de la vida (química prebiótica) nos hace remontar a 1952 y a los famosos experimentos que hicieron Stanley Miller y Harold Urey, en la Universidad de Chicago. Se formaron espontáneamente moléculas orgánicas complejas, entre ellas azúcares y aminoácidos, a partir de agua (H₂O), amoníaco (NH₃), hidrógeno (H₂) y metano (CH₄) cuando estos ingredientes fueron expuestos a condiciones (un sistema cerrado y estéril con calor y chispas procedentes de electrodos) que simulaban las que se creía que se presentaban en la Tierra primitiva.[177] Unos años después, en la Universidad de Houston, Joan Oró encontró que el nucleótido adenina y otras nucleobases de ARN y ADN podían formarse espontáneamente a partir de agua, cianuro de hidrógeno (HCN) y amoníaco.[178]

Muchos creen que el ARN fue el primer material genético replicante importante, precursor de la vida basada en el ADN, y describen un «mundo de ARN».[179] En 1967, Carl Woese fue uno de los primeros en sugerir que el ARN podría tener propiedades catalíticas, de manera que, a la vez, portaba información genética (como el ADN) y asimismo podía comportarse como las proteínas (enzimas), lo que es importante porque prácticamente todas las reacciones químicas que tienen lugar en el interior de una célula viva requieren catalizadores.[180] No fue hasta 1982, cuando Thomas Cech, de la Universidad de Colorado, en Boulder, demostró que una molécula de ARN podía autoempalmarse en un intrón,[181] junto con el descubrimiento por parte de Sidney Altman, de la Universidad de Yale, de las propiedades catalíticas de la ribonucleasa P,[182] que puede cortar el ARN, que supimos con certeza que estos ARN catalíticos («ribozimas») existían realmente. Cech y Altman compartieron el premio Nobel de Química de 1989 por sus descubrimientos.[183]

Los ribozimas pueden ser la clave a la hora de intentar dar respuesta a la pregunta más básica de todas. ¿Dónde surgió por evolución la primerísima célula, ya fuera aquí en la Tierra o en un exoplaneta?[184] Se han hecho muchas aproximaciones para intentar comprender los orígenes de la vida, pero si hay un investigador que ha intentado hacerlo mediante la formación real de «vida» primitiva (desde cero), es el premio Nobel Jack W. Szostak,[185] junto con su laboratorio, de la Universidad de Harvard. A diferencia de los equipos que trabajan en «células artificiales» que están compuestas por sistemas de proteínas en vesículas de lípidos pero carecen de cualquiera de las moléculas del equipo lógico de la vida, Szostak reconoce que la vida requiere un «genoma informacional» autorreplicante.[186] La visión de Szostak se sitúa entre dos campos dedicados a estudiar el origen de la vida. Por un lado está el campo de «lo primero es el equipo lógico», que aduce la aparición de la replicación del ARN, a la vez como portador de información y como molécula catalítica, como el paso más importante en el inicio de la vida. El otro grupo aduce que el factor clave en la evolución de la primera vida fue la aparición de la membrana celular, en la forma de vesículas autoensamblantes y autorreplicantes.

Dichas vesículas, estructuras en forma de burbuja que también se conocen como micelas, se forman espontáneamente a partir de moléculas de lípidos cuando éstas se hallan presentes por encima de determinadas concentraciones. Se cree que las primeras moléculas de lípidos eran ácidos grasos, que estaban presentes en la Tierra prebiótica temprana y que se han encontrado en meteoritos. A nivel molecular, tienen un extremo hidrófobo (grasiento y que repele el agua) y un extremo hidrófilo (con avidez por el agua), que pueden enlazarse para formar estructuras. Las moléculas de lípidos se unen cola con cola (extremo grasiento con extremo grasiento), y dejan los extremos con avidez por el agua expuestos en las superficies interna y externa de la membrana celular. Este conjunto funciona como una barrera efectiva para mantener las moléculas hidrosolubles en el interior de la célula, donde crean un ambiente único.

Trabajando en experimentos con su estudiante Irene Chen, junto con Richard J. Roberts,[187] en Caltech, Szostak demostró que la simple presencia de ARN en vesículas de ácidos grasos podía promover su crecimiento mediante la apropiación de moléculas de la membrana de vesículas adyacentes que contenían menos ARN, o no lo contenían en absoluto.[188] Este crecimiento se da porque el ARN contenido en el interior de las vesículas ejerce una presión osmótica sobre dichos sacos. Esta presión interna provoca tensión en la membrana, que crece absorbiendo ácidos grasos de cualquier vesícula en las inmediaciones que esté menos hinchada como consecuencia de tener menos material genético. Las protocélulas con más ARN en su interior crecerán más rápidamente, hasta el punto en que, con sólo una pequeña agitación (que es consistente con la acción del viento o del oleaje en la Tierra primordial), se rompen en vesículas hijas.

El siguiente paso de Szostak fue volver a insertar ARN, pero esta vez para dotar a este equipo lógico con instrucciones útiles para sus protocélulas. Dicha información podía codificar los medios para producir fosfolípidos, una clase de lípidos que aparece en las membranas modernas. Este debió de ser un paso fundamental en la transición desde las membranas primitivas, que se basan en ácidos grasos, hasta las membranas celulares modernas, que se basan en fosfolípidos. Al introducir de esta manera equipo lógico de ARN dentro de las protocélulas, teóricamente son posibles sistemas simples y autorreplicantes. Se trata de estudios apasionantes, y estoy seguro de que demostrarán la viabilidad de la formación de células autorreplicantes a partir de sustancias químicas prebióticas.

Si se puede diseñar un material genético sintético para catalizar su propia reproducción dentro de una membrana artificial, se habrá creado en el laboratorio vida de un tipo primitivo. Quizá estas células se parezcan a las primeras formas de vida en la Tierra, de hace casi cuatro mil millones de años, pero es más probable que representen algo totalmente nuevo. Es importante que estas células sintéticas primitivas, de modo muy parecido a las que hubo en los albores de la vida, estén rebosando de potencial: estarían sujetas a mutación y evolución darwiniana. Estoy seguro de que cuando se llegue al ambicioso objetivo de transformar el ADN en una célula, proporcionarán valiosos atisbos que encajarán perfectamente con los esfuerzos de mi propio equipo, y de los de muchos otros que exploran estas profundas cuestiones.

Como complemento a este trabajo sobre los orígenes de la vida, estamos llevando a cabo nuevas investigaciones que tienen el objetivo a largo plazo de crear una «célula receptora universal» que pueda incorporar cualquier equipo lógico de ADN sintético adaptado para crear vida y crear aquella especie diseñada. En la actualidad, el número de células receptoras que usamos para el trasplante de genoma en nuestros laboratorios es muy limitado. Con el fin de crear una célula receptora universal, nos hallamos en el proceso de reescribir el código genético de la célula de micoplasma para permitir que transcriba y traduzca cualquier equipo lógico de ADN trasplantado. Esta investigación debería refinar y extender nuestros conocimientos de por qué la vida se presenta en estos pequeños paquetes que llamamos células.

En una aproximación más radical, estamos investigando cómo superar la necesidad de que haya una célula previa como recipiente de un genoma sintético. Nuestra esperanza es que podamos crear células sintéticas, empezando con sistemas sin células y después ir añadiendo componentes básicos para construir una célula completa. Aunque esto podría ser un gran descubrimiento, de nuevo resulta sorprendente que investigaciones relacionadas se remonten a hace mucho tiempo. Ya en los inicios de la revolución del ADN, en la década de 1950, varios equipos de investigación habían demostrado de manera independiente que una célula no es estrictamente necesaria cuando se trata de realizar algunas de las transacciones básicas de la vida. Encontraron que la fabricación de proteínas puede tener lugar incluso después de que la membrana celular se haya desintegrado.

Las posibilidades las propuso inicialmente Paul Charles Zamecnik, un profesor de medicina en la Facultad de Medicina de Harvard, y profesor de investigación en el cercano Hospital General de Massachusetts. Se interesó por el tema en 1938 cuando, en la autopsia de una mujer con obesidad mórbida, le sorprendió la gran cantidad de grasa en su tejido pero la relativa escasez de proteína. Esto hizo que se preguntara cómo se fabricaban las proteínas, una pregunta que guio su investigación durante buena parte de su carrera.[189] Acabaría por llegar a la conclusión de que, con el fin de descubrir los acontecimientos intermedios de la síntesis de proteínas, necesitaba desarrollar un sistema sin células. Después de varios años de esfuerzos, finalmente lo consiguió con la ayuda de su colega, Nancy Bucher, con lo que allanaba el camino para muchos descubrimientos importantes, desde revelar que se requería ATP para la síntesis de proteína hasta descubrir que los ribosomas eran la sede del montaje de las proteínas.

Muchos grupos de investigación han trabajado en la reconstrucción de procesos biológicos a partir de elementos aislados. En 1955, Heinz Fraenkel-Conrat y Robley C. Williams fueron los primeros en demostrar, utilizando el virus del mosaico del tabaco, que se podía crear un virus funcional a partir de ARN purificado y una envuelta de proteína. De ahí siguió rápidamente el descifrado de lo básico del código genético, y de cómo la información se traduce desde el equipo lógico del ADN a la proteína, como resultado del trabajo pionero de Marshall Nirenberg y de su estudiante posdoctoral, J. Heinrich Matthaei, en 1961.[190] En su experimento prepararon un extracto de células bacterianas que podían producir proteína, aunque no había presentes células vivas intactas. Mediante el uso de ARN sintéticos y de aminoácidos marcados radiactivamente, descubrieron que tres uracilos, UUU, formaban el codón para el aminoácido fenilalanina.

Desde entonces ha sido cuestión de rutina tomar ADN o ARN y producir proteínas in vitro. Como resultado, la síntesis de proteínas sin células se ha convertido en una herramienta importante para los biólogos moleculares. Aunque tradicionalmente estos métodos necesitaban extractos celulares, ello cambió con la introducción de lo que se llamó el sistema PURE (síntesis de proteínas utilizando elementos recombinantes),[*] en el que la síntesis de proteínas se realiza en un sistema libre de células,[191] con la maquinaria de traducción de E. coli reconstituida a partir de componentes purificados de ribosomas. Intentamos usar un cóctel de enzimas, ribosomas y sustancias químicas (lípidos entre ellas) con un genoma sintético para crear nuevas células y formas de vida sin necesidad de células preexistentes. En los próximos años, cada vez resultará más factible crear una amplia variedad de células a partir de equipo lógico de vida diseñado informáticamente en sistemas sin células y/o a través de una célula receptora universal.

Finalmente, la creación de células desde cero abrirá posibilidades extraordinariamente nuevas. Primero, mientras exploramos esta frontera entre lo animado y lo inanimado, podremos ser capaces de refinar nuestra definición de «vida». Este trabajo podría tener asimismo consecuencias para cómo definimos términos tales como «máquina» y «organismo».[192] La capacidad de crear vida sin células preexistentes tendrá asimismo implicaciones muy prácticas, porque podremos aumentar el grado de libertad en el diseño de nuevas formas de vida. Podremos explorar asimismo variedades más antiguas de vida, al deducir el genoma de un organismo extinguido a partir de los genomas de sus descendientes actuales y empleando células sintéticas para explorar las propiedades de este equipo lógico antiguo.

También empezaremos a explorar el potencial de conjuntos de células sintéticas. El cuerpo humano es también una notable empresa colectiva: el sistema digestivo por sí solo es el hogar de aproximadamente cien billones de microbios, unas diez veces el número de células de los principales órganos de nuestro cuerpo. La inmensa mayoría son microbios amistosos, que trabajan de manera cooperativa con nuestra bioquímica. Esta propensión de las células a trabajar juntas empezó relativamente pronto en la historia de la vida. Las ristras multicelulares de bacterias surgieron hace unos tres mil quinientos millones de años. Existen otras formas de cooperación microbiana, como se mencionó anteriormente. La malograda Lynn Margulis, de la Universidad de Massachusetts, en Amherst, propuso que células eucariotas especializadas adquirieron sus cloroplastos que realizan la fotosíntesis o sus mitocondrias productoras de energía mediante simbiogénesis, la fusión beneficiosa de dos células ancestrales.

Estos ejemplos iniciales fueron seguidos por otra oleada de cooperación, cuando estas mismas células complejas se organizaron conjuntamente para formar comunidades y evolucionaron para hacerlo, de manera independiente y varias veces. Hace más de seiscientos millones de años, los ctenóforos (organismos marinos gelatinosos comunes y frágiles, con tejidos bien desarrollados) señalaron el punto en el que la vida pluricelular comenzó a diversificarse. Las esponjas son otro ejemplo temprano de células solitarias que empezaron a cooperar en cuerpos más complejos. Están constituidas por varios tipos diferentes de células: células digestivas, células que secretan las espículas (segmentos del esqueleto corporal), etc., que pueden comunicarse entre sí y trabajan juntas como un único individuo.

La secuencia del genoma de una esponja, Amphimedon queenslandica, una demosponja del Gran Arrecife Barrera de Australia, revela algunos de los mecanismos genéticos que permitieron que células individuales trabajaran juntas.[193] Hay media docena de sellos distintivos de multicelularidad: ciclo y crecimiento celular regulados; muerte celular programada (apoptosis); adhesión célula-célula y célula-matriz, que permite a las células componentes pegarse entre sí; emisión de señales de desarrollo y regulación génica; mecanismos para defenderse ante patógenos invasores; y la especialización de tipos celulares, que es la razón por la que tenemos células nerviosas, células musculares, etc. Dadas las muchas veces que la multicelularidad evolucionó de manera independiente, parece improbable que haya una única explicación para sus orígenes, salvo que la cooperación celular ha sido la mejor solución para la cuestión evolutiva de cómo tener más éxito a la hora de transmitir genes a la siguiente generación, ya sea que eso quiera decir defenderse contra determinados parásitos o desarrollar una manera más eficiente de desplazarse y de explotar los recursos alimentarios y energéticos disponibles.

Con el auge de la célula sintética, podemos poner al descubierto detalles de los mecanismos que condujeron a la multicelularidad. Las células sintéticas podrán desarmarse y simplificarse para ver de qué modo cada uno de los factores multicelulares indicados más arriba puede influir en la capacidad de las células para comunicarse y cooperar. Esto nos proporcionaría una herramienta sin precedentes para desenmarañar las interacciones enormemente complicadas que tienen lugar entre las células de un organismo pluricelular, ya se trate de un gusano nematodo o de un ser humano. Al mismo tiempo, habrá intentos de construir organismos pluricelulares sintéticos desde la base, con células sintéticas que contengan orgánulos sintéticos, de modo que podamos investigar esta forma íntima de cooperación.

Ya en los últimos años de la década de 1960, un equipo de la Universidad Estatal de Nueva York, en Búfalo, había creado con éxito un organismo relativamente grande, Amoeba proteus, a partir de los principales componentes celulares de otras amebas: núcleo, citoplasma y membrana celular.[194] Escribieron que «el éxito de nuestros experimentos de reensamblaje significa que ahora tenemos la capacidad técnica para ensamblar amebas que contengan cualquier combinación deseada de componentes y de esta manera disponemos de un excelente sistema de ensayo». Podemos dar a estas células fabricadas baterías celulares más eficientes, o crear un retículo endoplasmático sintético, el orgánulo en el que los ribosomas están embutidos y donde tiene lugar la síntesis y plegamiento de las proteínas.

A partir de nuestros estudios de micoplasmas y de otros organismos, ya hemos identificados los ingredientes para la receta básica de una célula viva: un cóctel de alrededor de trescientas a quinientas proteínas (aproximadamente el mismo número que surgió del trabajo de Lucy Shapiro en el «genoma esencial» de la bacteria Caulobacter crescentus). Imagine el lector si podemos explorar de forma sistemática variantes de la maquinaria de la vida, aprendiendo qué componentes son cruciales, cuáles no lo son y desmenuzando cómo funcionan juntos. Esto será una bendición para el campo de la biología sintética al expandir la gama de constituyentes biológicos, subrutinas de equipo lógico y circuitos que podemos desarrollar.

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Vida por diseño

Una nueva variedad criada por el hombre será un tema mucho más importante e interesante para su estudio que otra especie más añadida a la infinidad de especies ya registradas.

CHARLES DARWIN,

El origen de las especies (1859)[195]

Cuando diseñamos y escribimos nuevo equipo lógico para programar células vivas, ¿cómo podemos aumentar nuestra confianza en que funcionará? La manera obvia es intentar realmente crear la célula, pero en la actualidad esto es relativamente caro y exige mucho tiempo, y si fracasamos nos quedaremos pensando si el problema radica en el propio equipo lógico o en el sistema de arrancada que convierte las instrucciones del ADN en realidad. En el futuro, la modelización computacional ofrecerá una manera de poner a prueba nuestros conocimientos mediante la creación de células virtuales antes de intentar crear las reales. La modelización informática de la vida se está acercando más que nunca en el pasado a tener un impacto, en parte debido al crecimiento exponencial en la potencia de los ordenadores, y en parte porque la biología moderna ha visto una proliferación de estudios que generan enormes tesoros de información. A lo largo de las dos últimas décadas, en particular, la comunidad científica ha acopiado cantidades crecientes de datos detallados sobre los sistemas biológicos, desde el análisis de sistemas a las estructuras tridimensionales intrincadamente plegadas de las proteínas. Hay una maravillosa variedad de máquinas moleculares, con una amplia gama de funciones, y estamos aprendiendo mucho acerca de cómo interactúan entre sí y con otros componentes celulares. Como resultado de esta inundación de datos, ahora puede modelarse in silico una amplia gama de biología básica para complementar los experimentos de laboratorio.

Hace décadas que varios equipos están trabajando para simular computacionalmente la vida, en grados diversos de complejidad, y ello incluye desde la modelización de procesos bioquímicos tales como la regulación génica hasta la simulación del metabolismo y de la síntesis de proteínas. En Europa, por ejemplo, el Proyecto Humano Fisiológico Virtual[196] pretende modelar el funcionamiento de los órganos en un ordenador para crear un cuerpo virtual. Para hacerlo con éxito, han tenido que integrar una amplia gama de conocimientos sobre la fisiología, desde las decenas de miles de genes y sus variantes hasta el número mucho mayor de componentes de las proteínas, y hasta los cambios en el metabolismo.

Hace ya algún tiempo que se producen intentos de modelar órganos y tejidos. El primer modelo matemático de las células cardíacas apareció en 1960.[197] Hacia la década de 1980, se conocían razonablemente bien las actividades (eléctrica, química y mecánica) implicadas en la contracción de una célula del músculo cardíaco, y fue posible crear un modelo informático de la célula de un corazón que latía. Unas treinta ecuaciones captaban los procesos químicos celulares básicos, notablemente la acción de los canales iónicos que permiten que las señales eléctricas oscilen al entrar y salir de las células cardíacas. Desde entonces, el aumento de potencia en los ordenadores ha hecho posible simular el latido de los miles de millones de dichas células en las cuatro cámaras de un corazón virtual.[198]

El proceso de simular órganos se ha dirigido también al cerebro, con sus miles de millones de neuronas interconectadas. El Proyecto del Cerebro Humano,[199] en la Escuela Politécnica Federal de Lausana, a orillas del lago de Ginebra, en 2008 ya había simulado un microcircuito, consistente en una unidad de diez mil células cerebrales, de la corteza cerebral, la delgada capa del cerebro en la que residen las funciones más interesantes y avanzadas del pensamiento. Simular un cerebro humano con sus cien mil millones de neuronas llevará al menos una década o más, y a principios de 2013 la Comisión Europea[*] anunció que invertiría mil millones de euros en el proyecto.[200]

A un nivel más fundamental, se han hecho varios proyectos a lo largo de los años para crear una célula virtual in silico: un sistema biológico dinámico en forma de equipo lógico «vivo», que pueda mostrar de qué manera todos los procesos del interior de una célula viva funcionan juntos como un único sistema. Aunque no he estado directamente implicado en estos proyectos, se han beneficiado del trabajo de mi instituto. El profundo conocimiento y los descubrimientos que hemos hecho en nuestra investigación del genoma de micoplasmas hicieron posible que otros crearan un modelo detallado de una célula de Mycoplasma en un ordenador.

En la década de 1990, un equipo dirigido por Masaru Tomita, de la Universidad de Keio, en Fujisawa, Japón, hizo un intento de transformar nuestros datos genómicos en una «célula electrónica». Cuando el grupo de Keio inició su proyecto sólo se habían secuenciado dieciocho organismos. Creían que la cantidad de información molecular disponible para una amplia gama de organismos modelo, entonces sin precedentes, produciría nuevos y vívidos conocimientos de los procesos moleculares intracelulares que, si se simulaban en un ordenador, podían permitirles predecir el comportamiento dinámico de células vivas. En el interior de un ordenador sería posible explorar las funciones de las proteínas, las interacciones proteína-proteína, las interacciones proteína-ADN, la regulación de la expresión génica, y otras características del metabolismo celular. En otras palabras, una célula virtual podría proporcionar una nueva perspectiva sobre el equipo lógico y el equipo físico de la vida.

En la primavera de 1996, Tomita y sus estudiantes del Laboratorio de Bioinformática en Keio empezaron a investigar la biología molecular de Mycoplasma genitalium (que nosotros habíamos secuenciado en 1995), y al final de aquel año habían establecido el Proyecto E-Cell.[*] El equipo japonés había construido un modelo de una célula hipotética con sólo 127 genes, que eran suficientes para la transcripción, traducción y producción de energía. La mayoría de genes que usaron se había tomado de Mycoplasma genitalium. En su simulación el equipo estableció una telaraña de interacciones metabólicas de este genoma hipotético, que incluía veinte genes de tARN y dos genes de rARN. La célula se basaba en lo que el equipo admitía que eran condiciones ambientales irrealmente favorables.

El estado de la célula modelo en cualquier momento dado se expresaba como una lista de concentraciones de sus sustancias componentes, junto con valores para el volumen celular, acidez (pH) y temperatura. Para modelar el equipo lógico del ADN el equipo utilizó rutinas reales de equipo lógico y desarrolló cientos de normas que regían muchas de las rutas metabólicas, pero no todas, de M. genitalium, entre ellas la glicolisis, la fermentación de lactato, la absorción de glucosa, la absorción de glicerol y de ácidos grasos, la biosíntesis de fosfolípidos, la transcripción génica, la síntesis de proteínas, el montaje de la polimerasa y los ribosomas, junto con la degradación de proteínas y la degradación del mARN. Para una fidelidad adicional, el modelo se construyó de manera que los enzimas y otras proteínas se degradaran espontáneamente a lo largo del tiempo, de manera que tenían que ser sintetizadas constantemente con el fin de que la célula sustentara la «vida».

El equipo japonés realizó experimentos con la célula virtual mientras el «motor simulador» traqueteaba aproximadamente a la vigésima parte de la velocidad de un organismo vivo real. Podían hacer que la célula virtual «pasara hambre» extrayendo glucosa del medio de cultivo. Cuando hacían esto, observaban cómo aumentaba temporalmente la cantidad de ATP, pero después se reducía mucho hasta que, después de quedarse sin combustible de ATP, la célula terminaba por «morir». Si después se añadía de nuevo glucosa, la célula virtual podía recuperarse o no, en función de la duración de su inanición. El modelo podía, mediante un clic del ratón, replicar el efecto de desactivar un gen sobre los niveles de concentración de una serie de sustancias celulares, milisegundo a milisegundo. También podía «matarse» a la célula desactivando un gen esencial que controlara, por ejemplo, la síntesis de proteínas. Como consecuencia, todos los enzimas se degradaban de manera gradual y acababan por desaparecer totalmente.

Pero en aquella época, a finales de la década de 1990, todavía suponía un reto conectar los distintos niveles de procesos celulares, desde el uso de los genes al metabolismo y más allá. El formato de 127 genes del modelo de Keio era también mucho más pequeño que el «conjunto mínimo de genes» derivado de nuestra desactivación de genes y mediante comparación de secuencias de nuestros dos primeros genomas secuenciados. Como resultado, la célula modelo era «autosustentante», pero no era capaz de proliferar; carecía de rutas para la replicación de ADN, regulación génica y el ciclo celular. Y, desde luego, en aquella época, como en la actualidad, había (hay) todavía muchos genes cuyas funciones no se conocían aún, de modo que los científicos tenían que fiarse de conjeturas informadas para completar las funciones metabólicas que faltaban.

El equipo japonés ha recorrido mucho camino en la década transcurrida desde su programación de la E-Cell original. A la vez que han refinado el modelo de manera constante, han pasado a modelar glóbulos rojos de la sangre (eritrocitos), neuronas y otros tipos de células humanas, y a otros retos que complementan su trabajo en células virtuales, como medir la manera en que E. coli responde a desafíos genéticos y ambientales, revelando con ello que la red de interacciones metabólicas en el seno de la célula es sorprendentemente robusta, como resultado de redundancias.[201]

El trabajo más reciente en Mycoplasma genitalium se ha llevado a cabo en Estados Unidos, por parte del biólogo de sistemas Markus W. Covert, de la Universidad de Stanford. Su equipo utilizó nuestros datos genómicos para crear una versión virtual que se acercaba muchísimo a su contraparte de la vida real. Esta hazaña dependía de la síntesis de una enorme cantidad de información, entre ella datos de más de novecientos artículos científicos, sobre el genoma, el transcriptoma, el proteoma, el metaboloma y cualquier otro «-oma» del organismo en que se pueda pensar. Como resultado, M. genitalium se convirtió en el primer organismo que fue modelizado en detalle, hasta el último de sus 525 genes y todas y cada una de sus funciones génicas conocidas.

Para crear su célula virtual, el equipo de Stanford empleó varios miles de parámetros relacionados con alrededor de treinta módulos de procesos subcelulares, cada uno de los cuales fue modelizado de varias maneras. Para integrarlos en una máquina celular unificada programaron los módulos separados, cada uno de ellos regido por su propio algoritmo, para comunicarse entre sí. De esta manera la bacteria simulada se creó como una serie de módulos que imitan las diversas funciones de la célula. Utilizando una red de 128 ordenadores, el equipo de Stanford pudo trazar el comportamiento de células virtuales de M. genitalium al nivel molecular, desde su ADN y ARN hasta las proteínas y los metabolitos.[202] Modelaron la duración de la vida de la célula al nivel molecular, trazando las interacciones de veintiocho categorías de moléculas. Finalmente, todo el modelo se validó frente a una base de conocimiento que consistía en las bases de datos de información acerca de M. genitalium.[203]

El equipo de Stanford utilizó también su organismo virtual para investigar detalles del ciclo celular, que consta de tres fases: iniciación, replicación y citoquinesis (división celular). Advirtieron una mayor variabilidad en las primeras fases, comparadas con la última, y cuando se contrastaron con la duración de todo el ciclo celular. La duración de las fases individuales en el ciclo celular variaba de célula virtual a célula virtual, mientras que la duración de todo el ciclo era mucho más consistente. Consultando el modelo, emitieron la hipótesis de que la falta de consistencia del ciclo celular global era el resultado de un mecanismo de retroalimentación negativo intrínseco, que compensaba las diferencias en las fases individuales. Las células que tardaban más en empezar la replicación del ADN tenían tiempo para amasar un gran acopio de nucleótidos libres. Después, el paso real de replicación, en el que se usaban dichos nucleótidos para crear nuevas hebras de ADN, transcurría de manera relativamente rápida. En cambio, las células que atravesaban el paso inicial más rápidamente no tenían excedente de nucleótidos. Entonces la replicación acababa siendo retardada pro la velocidad de producción de nucleótidos.

El equipo de Stanford realizó simulaciones de los efectos de mutaciones en todos los 525 genes para determinar si la célula mutada seguía siendo viable. Sus predicciones fueron exactas en alrededor de un 80%, cuando se compararon con los datos experimentales de células físicas. Sin embargo, cuando había diferencias en los resultados aparecieron cosas interesantes. Según el modelo, la deleción del gen IpdA tendría que haber matado a la célula; en realidad, esta cepa sigue siendo viable, aunque crece un 40% más lentamente que el tipo salvaje. El equipo razonó que otra proteína debía estar realizando una tarea similar a la de IpdA. Con una inspección más detenida, encontraron que el gen relevante, nox, era similar a IpdA en términos de secuencia y función. Cuando corrigieron su modelo de una célula virtual añadiendo esta función adicional de nox, este produjo asimismo una célula simulada viable. Las discrepancias en las tasas de crecimiento de los mutantes observadas in silico y en la vida real ayudaron al equipo a ajustar la tasa a la que se producían los enzimas en sus células de silicio, de nuevo para hacerlo más realista y más parecido a M. genitalium.

Estos modelos acabarán por darnos la libertad de abordar situaciones hipotéticas de «¿qué ocurriría si?», un enfoque común en el campo de la ingeniería. De la misma manera que un ingeniero ajusta en un ordenador la anchura de un componente estructural de un rascacielos para ver qué ocurre a su capacidad para resistir un terremoto, los biólogos de sistemas pueden manipular el equipo lógico de la vida para explorar su efecto sobre la viabilidad de las células. Será interesante comparar nuestro genoma mínimo diseñado por ordenador con los modelos informáticos para ver lo predictivos que pueden ser los cambios de genes.

Darse cuenta de esta revolución en computación biológica requerirá un enorme aumento de potencia de ordenador. En la actualidad, hacer funcionar una simulación para que una única célula se divida una vez le toma al equipo de Stanford alrededor de diez horas y genera medio gigabyte de datos. La primera bacteria virtual, con sus 525 genes, es mucho menos compleja que E. coli, que tiene 4288 genes, se divide cada veinte a treinta minutos y posee un número mucho mayor de interacciones moleculares, cada una de las cuales haría extender mucho más el tiempo necesario para efectuar una simulación. Las células eucariotas, más complejas, presentarán retos importantes a la hora de crear sus versiones virtuales.

Hay todavía mucho trabajo que aprender de los organismos reales para comprender de qué manera el código lineal del equipo lógico cartografía el mundo tridimensional de la célula. Un esfuerzo importante en esta dirección lo ha dirigido otra científica de Stanford, Lucy Shapiro, que emprendió un cambio de carrera insólito, desde graduada en bellas artes a investigadora en biología. Desde entonces ha dedicado su carrera a la biología del desarrollo, centrándose en una bacteria de agua dulce organizada asimétricamente llamada Caulobacter crescentus. En 2001, mi equipo colaboró con el de Lucy para determinar el código genético de Caulobacter, que tiene 4 016 942 de pares de bases que codifican 3767 genes.[204]

El trabajo de Lucy Shapiro ha demostrado que las bacterias no son simples sacos desorganizados de proteínas, sino que tienen compartimentos intracelulares distintos, con robots proteínicos específicos que ocupan lugares específicos para orquestar complejos procesos bioquímicos, como el ciclo y la división celulares. Shapiro reveló por primera vez que la replicación del ADN bacteriano tiene lugar de una manera organizada espacialmente y que la división celular depende de esta organización y de la segregación del ADN en extremos opuestos de la célula. Su equipo demostró asimismo la existencia de reguladores genéticos maestros del ciclo celular. Por ejemplo, un gen regulador implicado en la construcción del flagelo, el apéndice en forma de látigo que permite que el organismo nade, es también esencial para la viabilidad. Encontraron que diferentes eventos, que habían estudiado como si estuvieran aislados en el ciclo de vida bacteriano, estaban en realidad conectados mediante reguladores globales. Uno solo de tales reguladores controlaba la expresión de otros noventa y cinco genes. En una versión reducida del trabajo que intentamos con Mycoplasma, Shapiro ha catalogado, hasta la última letra, exactamente qué partes del código genético son esenciales para la supervivencia de Caulobacter crescentus: alrededor del 12% del material genético de la bacteria. Los elementos esenciales incluyen no sólo genes que codifican proteínas, sino también ADN regulador y, de manera intrigante, noventa y un segmentos de ADN de función desconocida. El otro 88% del genoma podía ser alterado sin que ello afectara a la capacidad de la bacteria de crecer y reproducirse.[205]

El futuro de la investigación biológica se basará en gran medida en la combinación de ciencia informática y de biología sintética. Podemos obtener un panorama fascinante de este futuro a partir de una serie de certámenes que culminan en un acontecimiento notable que tiene lugar cada año en Cambridge, Massachusetts: una reunión de mentes jóvenes y brillantes que me proporciona una gran esperanza para el futuro. La competición Máquina Internacional Manipulada Genéticamente (iGEM)[*] invita a estudiantes de institutos y facultades y a emprendedores para barajar un conjunto estándar de subrutinas de ADN en algo nuevo en una competición por un trofeo, una gran pieza de Lego de aluminio que simboliza la creencia de que puede construirse vida conectando subrutinas entre sí.

La competición la diseñaron primero tres ingenieros que querían aplicar la lógica de tipo Lego a la construcción de sistemas desde la interconexión de partes a la biología: Tom Knight, Randy Rettberg y Drew Endy. Ahora se realiza en el MIT, y el evento surgió de un curso que se impartió allí en enero de 2003, en el que se planteó a los equipos el reto de diseñar una forma de E. coli que «parpadeara» (es decir, que generara luz fluorescente a intervalos regulares). Esto evolucionó hasta convertirse en una competición estival a la que en 2004 asistieron cinco equipos y trece en 2005, el primer año que la competición se hizo internacional. Desde entonces ha crecido rápidamente, alcanzando los 245 equipos en 2012.

En la competición iGEM 2011 tomaron parte unos ciento sesenta equipos y cerca de dos mil participantes de treinta países del todo el mundo; empezó con eliminatorias regionales y terminó con un campeonato mundial. El acontecimiento no fue un desabrido curso de facultad, con presentaciones en PowerPoint, conferencias y demostraciones, sino una francachela en la que los competidores tienen amuletos y llevan camisetas de equipo con logos de los patrocinadores mientras cortan y empalman equipo lógico de ADN.

Un objetivo de esta actividad es construir un catálogo de partes estandarizadas: a saber, fragmentos de ADN susceptibles de conectarse llamados BioBricks,[*] que programen una bacteria patrón para efectuar una tarea específica. Cada BioBrick está rematado en ambos extremos por secuencias de ADN que le permiten conectarse a otros ladrillos e integrarse en un plásmido que puede insertarse en una célula bacteriana. A lo largo de los años, los participantes han acopiado una biblioteca genética centralizada y de fuente abierta de miles de BioBricks, que es el llamado Registro de Partes Biológicas Estándar. El registro contiene una lista de función, estructura, etc., y sigue el modelo de un catálogo de componentes de circuitos de unas mil páginas llamado The TTL Data Book for Design Engineers.

Para cada competición, a los equipos se les proporciona un conjunto dado de partes biológicas (un juego de BioBricks) a principios de verano. Se les envían por correo copias de ADN real en forma de ADN deshidratado. Trabajando en sus propias escuelas o laboratorios a lo largo del verano, utilizan estas partes y partes nuevas de su propio diseño para construir sistemas biológicos y operarlos en células vivas. En el proceso de ensamblar nuevos «circuitos» biológicos a partir de un conjunto de partes estandarizadas, algunos equipos de estudiantes han intentado el tipo de enfoques que mi propio equipo ha estado investigando.

Los artículos básicos en su juego de herramientas de la vida incluyen promotores, que marcan qué segmentos de ADN se han de leer; operadores, que pueden regular el uso de promotores; lugares de fijación de los ribosomas, que reclutan ribosomas para que empiecen a producir proteínas; la propia secuencia de código de las proteínas, que puede codificar un enzima, un represor al que unirse y desactivar un promotor, o un reportero, como una proteína verde fluorescente, que puede, como su nombre indica, revelar que un circuito es activo; y terminadores, que dan la señal para terminar de leer el equipo lógico de ADN. Estas partes pueden ensamblarse en dispositivos que, en una célula, desempeñan funciones simples.

En su aspecto más básico, un dispositivo puede producir una proteína. Pero puesto que el ADN es el equipo lógico de la vida, también puede usarse para construir puertas lógicas, las unidades básicas de los ordenadores, como una puerta Y (en la que tienen que estar presentes las dos entradas para activar un gen); una puerta O (en la que se necesita una u otra entrada para activar un gen); o una puerta NO, en la que una proteína no se produce cuando hay una señal presente, y viceversa. Los dispositivos pueden asimismo enviar señales entre células para coordinar el comportamiento de poblaciones celulares, como las bacterias hacen naturalmente con la llamada percepción de quórum, que les permite ajustar la actividad génica en función del número de bacterias vecinas. Hay también dispositivos de control de la luz, que se basan en proteínas que captan luz, como los fotorreceptores de plantas y bacterias.[206] Los circuitos construidos a partir de estas puertas génicas pueden convertirse un día en los componentes de células manipuladas que puedan supervisar su ambiente y responder al mismo.

A su vez, los dispositivos pueden conectarse juntos en un sistema. Por ejemplo, pueden producir bucles de retroalimentación, ya sea para generar una retroacción positiva (usando un activador), del tipo que en un micrófono transforma un sonido bajo en un aullido, ya sea una retroacción negativa (usando un represor), del tipo que se emplea en un termostato para desconectar un calefactor cuando se alcanza una determinada temperatura. Se pueden construir interruptores,[207] que respondan a las condiciones del interior de una célula o de su entorno, utilizando un promotor y un represor, o bien osciladores, que siguen un patrón cíclico (piense el lector en su reloj corporal), que pueden construirse de varias maneras, por ejemplo combinando un bucle de retroacción negativa con una demora, o contadores, en los que un evento desencadena la producción de una proteína, que a su vez activa otro generador de proteína.

De esta manera, el estudioso de la biología sintética puede construir una jerarquía, empezando por partes, pasando de éstas a dispositivos, y después a sistemas. Como resultado de su trabajo, ahora tenemos circuitos celulares capaces de generar pautas, modelar ruidos, detectar bordes,[208] incluso de contar, y oscilaciones sincronizadas en una población creciente de células.[209] Un equipo de Cornell ha diseñado un método sin células para producir biomoléculas complejas que han llamado, naturalmente, BioFactory.[*] Se puede hacer que una bacteria sea fluorescente de una manera mecánica creando un bucle de instrucciones genéticas. E. coli se puede convertir en un dispositivo de almacenaje de información, un disco «bioduro», como hizo un equipo de la Universidad China de Hong Kong, que bautizaron E. cryptor a su obra. Otros han diseñado programas para manipular equipo lógico de ADN en la pantalla y después transformarlo en secuencias en el laboratorio, con la ayuda de robots.[210]

Proyectos más festivos incluyen bacterias que brillan en la oscuridad y, en el caso del proyecto «Eau d’e coli», del MIT, que huelen como gaulteria mientras crecen y como plátano cuando dejan de hacerlo. Hay LCD vivos: pantallas de ordenador hechas de células de levaduras o bacterias en lugar de píxeles digitales. Un equipo, de la Universidad de Texas en Austin y de la Universidad de California en San Francisco, produjo la frase «¡Hola, mundo!» con E. coli modificadas[211] para notar la luz, utilizando un dominio proteínico bacteriano para controlar el gen lacZ, que puede adherirse a una célula para producir un pigmento negro.

Hay equipos que han creado asimismo todo tipo de microbios altruistas, entre ellos los diseñados para cambiar de color en respuesta a una toxina ambiental, computar,[212] revelar parásitos,[213] detectar minas terrestres o, en el caso de la levadura común, producir beta caroteno, la sustancia anaranjada que confiere su color a las zanahorias. Un equipo de la Universidad de Cambridge, en el Reino Unido, diseñó E. chromi para pintar E. coli de vivos colores, una hazaña que le ha valido nominaciones para premios de arte y diseño.[214] Otros han elaborado «BioBeer»,[*] rica en resveratrol, una sustancia química que se encuentra en el vino y que algunos creen que es beneficiosa para la salud.

La competición es muy consciente de los aspectos sociales de la biología sintética y de la necesidad de que los no científicos comprendan y acepten sus intentos de chapucear con la maquinaria de la vida. Los competidores están muy interesados, como parte de sus proyectos, en interactuar con el público, realizar encuestas y hablar con la prensa. La seguridad es también fundamental, y cada equipo ha de escribir un informe sobre el impacto de su proyecto en el mundo que los rodea. Un contendiente llegó incluso a desarrollar algoritmos para determinar lo semejante que una secuencia específica de ADN era con respecto a las entradas de la Lista de Toxinas y Agentes Selectos de los Centros para el Control y Prevención de la Enfermedad.[215]

Aplaudo la aproximación BioBrick para atraer y enseñar a estudiantes, y no tengo más que alabanzas para los originadores del iGEM. Pienso que han cambiado el curso de la educación en este campo. El extraordinario ingenio demostrado en los proyectos del iGEM me da esperanzas para el futuro al animar a una nueva generación de científicos a experimentar la excitación de manipular el equipo lógico de la vida. Hemos recorrido un largo camino desde la alteración ciega de genomas mediante la cría selectiva, como en la agricultura y la ganadería tradicionales, hasta el diseño de la vida con la ciencia moderna.

Mientras esos estudiantes aprenden el diseño biológico, muchos investigadores de talento en muchos laboratorios diferentes de todo el mundo están haciendo regularmente avances impresionantes. Algunos desarrollan laboratorios en chips (biochips) para combinar in situ la síntesis, el montaje y la representación de proteínas para crear patrones de proteínas.[216] Otros han descubierto cómo hacer proteínas a partir de una única copia de ADN dentro de una cámara de cuarzo microscópica.[217] Tal como ha demostrado de manera tan clara iGEM, hay también un proyecto global para recapitular in vitro circuitos genéticos.[218] Para el futuro del diseño de genomas necesitaremos juegos de herramientas de nuevos aminoácidos artificiales, interruptores para encender y apagar, reóstatos biológicos, osciladores, moduladores, genes suicidas y rutas génicas para manipular la vida.

Permítaseme centrarme en uno o dos ejemplos, para dar una breve idea del potencial. Para leer las órdenes en el equipo lógico del ADN, las células se basan en proteínas de dedos de cinc, denominadas generalmente «dedos de cinc». Las descubrió en 1985 Aaron Klug, un premio Nobel que trabajaba en el Laboratorio de Biología Molecular de Consejo de Investigación Médica, de Cambridge.[219] Dichas proteínas reciben este nombre porque contienen un átomo de cinc y tienen la forma de un dedo índice.[220] Existen cientos de variedades, todas las cuales funcionan enlazándose al ADN allí donde cada dedo corresponde con una secuencia de tres letras del ADN. Cuantos más dedos se usen, más precisamente se puede reconocer una secuencia concreta. Con sólo seis dedos, se puede fijar como objetivo cualquier gen concreto.

Esta importante pieza de maquinaria biológica ha sido adaptada para la biología sintética por los ingenieros biomédicos Ahmad S. Khalil y James J. Collins, de la Universidad de Boston. Han creado nuevos diseños de dedos de cinc que se quieren enlazar a nuevas secuencias objetivo.[221] El equipo de Boston ha manipulado nuevos circuitos en levadura, un eucariota, utilizando partes modulares funcionales procedentes de los propios eucariotas y «conectándolas» mediante dedos de cinc.[222] Hay muchas aplicaciones inmediatas de este trabajo, como ayudar a desarrollar células totipotentes para la medicina regenerativa, y dispositivos y circuitos dentro de células para el diagnóstico de las fases tempranas del cáncer y otras enfermedades. Este método puede asimismo proveer a grupos de células para que realicen tareas computacionales de orden superior para el procesamiento de señales en el ambiente en aplicaciones de sensores.

Hay proyectos en marcha por parte de otros investigadores para extender y modificar el código genético actual, para codificar nuevos aminoácidos que no existen en la naturaleza. El código genético es redundante, pues en algunos casos múltiples codones codifican el mismo aminoácido. Se pueden asignar estos codones adicionales para que codifiquen nuevos aminoácidos que no están presentes en la naturaleza entre los veinte aminoácidos «estándar». En uno de tales estudios, Jason Chin, del Laboratorio de Biología Molecular del Consejo de Investigación Médica, manipularon moscas del vinagre que incorporaban tres nuevos aminoácidos en las proteínas de las células de sus ovarios. El uso de nuevos aminoácidos incluye la adición de nuevas funciones a las proteínas y producir células resistentes a las infecciones víricas.

Pero, lo que es más importante, una exploración sistemática del potencial de la biología sintética aumentará nuestro conocimiento de la biología fundamental. Con estas capacidades, podremos expandir nuestro conocimiento de la biología mil veces más rápidamente de lo que es posible en la actualidad. Los descubrimientos a los que lleguemos ayudarán a su vez a mejorar los diseños de genomas que pueden comprobarse en modelos de células virtuales y, de esta manera, acelerarán el esfuerzo para sintetizar nueva vida.

Diseñar y crear nuevas formas de vida continúa planteando varias cuestiones éticas importantes. Éstas se han explorado en numerosas iniciativas, no sólo en Estados Unidos sino también en otros muchos países con industria biotecnológica avanzada. Yo inicié la primera revisión ética de los genomas sintéticos y de la vida sintética al final de la década de 1990, cuando mi instituto financió al Departamento de Bioética de la Universidad de Pensilvania para que revisara nuestro trabajo. Mi equipo ha trabajado con varias agencias gubernamentales, entre ellas el Ministerio de Energía de Estados Unidos, la Oficina de Política Científica y Tecnológica de la Casa Blanca (OSTP) y los Institutos Nacionales de Salud, desde nuestro trabajo en el phi X 174. En 2004, para poner sólo un ejemplo, nuestro equipo de política, que dirige Robert Friedman, junto con el Centro para Estudios Estratégicos e Internacionales (CSIS) y el MIT, recibió financiación de la Fundación Alfred P. Sloan para realizar talleres y una sesión pública a lo largo de un período de veinte meses para discutir las implicaciones éticas y sociales de la genómica sintética. Los miembros principales (entre los que me encontraba, y que incluían a George Church, Drew Endy, Tom Knight y Ham Smith) publicamos nuestros resultados en octubre de 2007, como «Synthetic Genomics: Options for Governance».[223]

Mientras tanto dicto conferencias públicas, como hacen otros miembros de mi equipo; presentamos artículos detallados en congresos académicos, y nos ocupamos de las constantes preguntas procedentes de los medios globales. Hemos hecho varios viajes a Capitol Hill para informar a más de cincuenta miembros del Congreso y nos hemos dirigido a la OSTP, la CIA, el Consejo Asesor Científico Nacional para la Bioseguridad (NSABB), la Comisión Presidencial para el Estudio de Cuestiones Bioéticas, y el Departamento de Seguridad Nacional. Muchas instituciones han emitido informes sobre la biología sintética, como el Ministerio de Energía de Estados Unidos y el NSABB. Asimismo, se han patrocinado encuestas públicas no sólo en Estados Unidos, sino en otros países, como el Reino Unido.[224] Delegados de instituciones y asociaciones principales se reunieron en julio de 2009 en un simposio organizado por la OCDE, las Academias Nacionales de Estados Unidos y la Sociedad Real del Reino Unido, y consideraron las oportunidades, las amenazas y otras cuestiones generales planteadas por la biología sintética, como qué significa ser humano. Desde cualquier perspectiva que se considere, las discusiones referidas precisamente a qué significa crear vida sintética han sido largas, plenas y abiertas.

Un aspecto que a lo largo de los años me ha sorprendido mucho es que pocas de las cuestiones que plantea la genómica sintética son realmente nuevas. Uno de los intentos más famosos de resolver las cuestiones planteadas por formas de vida sintéticas se puede encontrar en las tres leyes de la robótica, que imaginó el autor de ciencia ficción Isaac Asimov y que aparecieron por primera vez en 1942 en su relato breve «Runaround»: «1. Un robot no puede hacer daño a un ser humano o, por inacción, permitir que un ser humano sufra daño. 2. Un robot debe obedecer las órdenes que le den seres humanos, excepto si estas órdenes entrasen en conflicto con la Primera Ley. 3. Un robot debe proteger su propia existencia en la medida en que dicha protección no entre en conflicto con la Primera o la Segunda Ley». Posteriormente Asimov añadiría una cuarta, «la Ley cero», para que precediera a las demás: «0. Un robot no puede hacer daño a la humanidad o por inacción, permitir que la humanidad sufra daño». Dichos principios pueden aplicarse igualmente a nuestros esfuerzos para alterar la maquinaria básica de la vida, sustituyendo «robot» por «forma de vida sintética».

Las tecnologías emergentes, ya sea en robótica o en biología sintética, pueden ser un arma de doble filo. En la actualidad hay mucho debate sobre las tecnologías de «doble uso» (como, por ejemplo, en un estudio publicado en 2012 por la Asociación Americana para el Progreso de la Ciencia, un grupo de universidades americanas y el FBI.[225] Su trabajo fue promovido por la investigación realizada por equipos en Estados Unidos y Holanda que habían identificado los elementos del virus de la gripe H5N1 que permitía su rápida expansión. Cuando los resultados de cada equipo fueron enviados a Science y Nature, en agosto de 2011, provocaron un malestar generalizado. Esta preocupación llevó a científicos de todo el mundo a aceptar voluntariamente, en una moratoria autoimpuesta, detener dichos estudios para comprender y contener las amenazas de pandemias hasta que entendieran cómo proceder ante ellas y cómo comunicar la investigación con seguridad.

El problema aquí, desde luego, es que mientras tales estudios pueden contribuir a identificar virus que plantean las mayores amenazas para la vida humana, y desarrollar tratamientos para ellos, también proporcionan información que podría se utilizada por terroristas. El Consejo Científico Asesor Nacional para la Bioseguridad revisó las implicaciones de uso doble y recomendó que los dos artículos sobre el H5N1 se publicaran únicamente después de que los investigadores hubieran eliminado los datos. Pero una reunión de la Organización Mundial de la Salud en febrero de 2012 llegó a la conclusión de que los beneficios del trabajo superaban a los riesgos, y expresó dudas sobre la redacción de los artículos. Posteriormente, un informe del FBI ofreció diversas sugerencias para conseguir el equilibrio adecuado entre hacer progresos en investigación y minimizar los riesgos, y entre la libertad científica y la seguridad nacional.

El informe del FBI empieza indicando que la naturaleza de Jano de la innovación ha aparecido una y otra vez a lo largo de las últimas décadas, y subraya la importancia de iniciativas como la de Asilomar, a la que me referí con anterioridad, y la adopción del Convenio sobre Armas Biológicas y Toxinas de 1972. Creo que la cuestión del uso responsable de la ciencia es fundamental y se remonta al nacimiento del ingenio humano, cuando la humanidad descubrió por vez primera cómo hacer fuego a voluntad. (¿Lo utilizo para quemar la cosecha de un rival o para mantenerme caliente?). Cada pocos meses se celebra otra reunión para discutir la intrincada cuestión de que la tecnología poderosa corta por ambos lados.

Pero es importante no perder de vista las oportunidades que esta investigación presenta. La biología sintética puede ayudar a abordar retos clave a los que el planeta y su población se enfrentan, como seguridad alimentaria, energía sostenible y salud. Con el tiempo, la investigación en biología sintética puede conducir a nuevos productos que producirán energía limpia y ayudarán a mitigar la contaminación; nos ayudará a obtener cosechas en tierras más marginales, y a proporcionar productos agrícolas más asequibles, así como vacunas y otras medicinas. Algunos han especulado incluso acerca de la capacidad de proteínas inteligentes o de células programadas para automontarse en los lugares afectados de enfermedad para reparar lesiones.

Es evidente que este potencial aparentemente ilimitado plantea muchas preguntas inquietantes, y no es la menor de ellas el hecho de que la biología sintética libera al diseño de la vida de los grilletes de la evolución y abre nuevos panoramas para la vida. Es crucial que invirtamos en las tecnologías, la ciencia, la educación y las políticas fundamentales, con el fin de asegurar el desarrollo seguro y eficiente de la biología sintética. Han de promoverse las oportunidades para el debate y la discusión pública de estos temas, y el público profano ha de comprometerse con las cuestiones relevantes. Tengo la esperanza de que, de alguna manera modesta, este libro ayude a los lectores a comprender el espectro de los descubrimientos recientes.

La seguridad, desde luego, es fundamental. La buena noticia es que, gracias a un debate que se remonta a Asilomar, en la década de 1970, ya se dispone de normativas robustas y diversas para el uso seguro de la biotecnología y la tecnología del ADN recombinante. Sin embargo, hemos de estar vigilantes y no bajar nunca la guardia. En los años venideros podrá ser difícil identificar los agentes de preocupación si no se parecen a nada de lo que nos hayamos encontrado antes. El telón de fondo político, social y científico evoluciona continuamente y ha cambiado muchísimo desde los días de Asilomar. La biología sintética fía asimismo en las capacidades de científicos que tienen poca experiencia en biología, como matemáticos e ingenieros eléctricos. Tal como demuestran los trabajos de los jóvenes biólogos sintéticos en el iGEM, el campo ya no es únicamente el dominio de científicos de alto rango y muy experimentados. La democratización del saber y el auge de la «biología de fuente abierta»; el establecimiento de una instalación basada en el diseño biológico, BIOFAB,[226] en California; y la disponibilidad de versiones de utensilios de laboratorio clave que pueden utilizarse en la cocina de casa, como la PCR, el método de copiar el ADN,[227] todo ello hace más fácil para cualquiera (incluidos aquellos que se encuentran fuera de las redes usuales de los laboratorios gubernamentales, comerciales y universitarios, y de la cultura del adiestramiento responsable y de la bioseguridad) jugar con el equipo lógico de la vida.

También hay «biopiratas informáticos» que quieren experimentar libremente con el equipo lógico de la vida. Freeman Dyson,[228] el físico teórico y matemático, ya ha especulado sobre lo que podría ocurrir si las herramientas de la modificación genética se hicieran accesibles de modo general en la forma de biotecnología doméstica: «Habrá equipos de “hágalo usted mismo” para jardineros que quieran emplear la ingeniería genética para criar nuevas variedades de rosas y orquídeas. También, equipos para que los amantes de palomas, loros, lagartos y serpientes críen nuevas variedades de mascotas. Los criadores de perros y gatos también tendrán sus equipos».

Muchos se han centrado en los riesgos de que esta tecnología caiga en las «manos equivocadas». Los sucesos del 11 de septiembre de 2001, los ataques con carbunco que siguieron y la amenaza de la pandemia de la gripe H1N1 y H7N9, todos han señalado la necesidad de tomarse en serio su preocupación.[229] El bioterrorismo se hace cada vez más probable a medida que la tecnología madura y se hace gradualmente asequible. Sin embargo, no es fácil sintetizar un virus, y mucho menos uno que sea virulento o infectivo,[230] o crearlo en una forma que pueda usarse de una manera práctica como arma. Y, desde luego, como demuestra la notable velocidad con la que en la actualidad podemos secuenciar un patógeno, la misma tecnología hace más fácil contrarrestarlo con nuevas vacunas.

Para mí, un motivo de preocupación es un «bioerror»: las repercusiones que pueden darse como consecuencia de la manipulación del ADN por un biopirata informático o «biorrufián» sin formación científica.[231] A medida que la tecnología se hace más generalizada y los riesgos aumentan, nuestras ideas sobre el daño cambian, junto con nuestra noción de lo que queremos decir con «ambiente natural», cuando las actividades humanas alteran el clima y, a su vez, cambian nuestro mundo.

De una manera parecida, los organismos que no son «normales» tienden a ser considerados monstruos, como el producto de un abuso de poder y responsabilidad, como queda ilustrado de la manera más vívida mediante el relato de Frankenstein.[232] Aun así, es importante mantener nuestro sentido de perspectiva y de equilibrio. A pesar de las demandas perentorias para una normativa y medidas de control cada vez más onerosas acordes con el «principio de precaución» (sea lo que sea que quiera decir este término tan manido),[233] no hemos de perder de vista la potencia extraordinaria de esta tecnología para producir beneficios positivos para el mundo.

No soy el único que cree que una reglamentación excesiva puede ser tan dañina como la laxitud al respecto. Me agradó ver que mi propio punto de vista aparecía en la respuesta a mi trabajo sobre el primer genoma sintético operativo, cuando la Comisión Presidencial para el Estudio de Cuestiones Bioéticas hizo público un informe en diciembre de 2010[234] titulado «Nuevas direcciones: la ética de la biología sintética y de las tecnologías emergentes». Este documento se iniciaba con una carta del presidente Barack Obama que recalcaba lo vital que era que, como sociedad, consideremos de manera meditada la importancia de este trabajo, y que consigamos un equilibrio entre los «beneficios importantes» y las «preocupaciones genuinas».

La comisión la presidía la profesora de ciencia política Amy Gutmann, presidenta de la Universidad de Pensilvania, e incluía expertos en bioética, derecho, filosofía y ciencia. En sus conclusiones, la comisión identificó cinco principios éticos guía que consideró relevantes para las implicaciones sociales de las tecnologías emergentes: beneficio público, administración responsable, libertad y responsabilidad intelectual, deliberación democrática y justicia y equidad. Si estos principios se empleaban de manera diligente para iluminar y guiar las opciones de políticas públicas como habíamos propuesto con la biología sintética, concluía la comisión, podíamos estar seguros de que la tecnología podría desarrollarse de una manera responsable y ética.

Entre sus recomendaciones al presidente, la comisión señalaba que el gobierno debería emprender una evaluación coordinada de la financiación pública para la investigación en biología sintética, incluyendo estudios sobre técnicas para la evaluación y la reducción del riesgo, y sobre cuestiones éticas y sociales, con el fin de revelar aquellas lagunas conspicuas, si es que se consideraba que el «bien público» debería ser el principal objetivo. Por suerte, las recomendaciones eran pragmáticas: dado el estado embrionario del campo, debe alentarse la innovación y, en lugar de crear un sistema tradicional de burocracia y papeleo, debería coordinarse el mosaico de reglamentación y asesoramiento del campo por parte de los agentes ya existentes.

Desde luego, se expresaba preocupación por los sucesos de «baja probabilidad, pero potencialmente de impacto elevado», como la creación de un virus del fin del mundo. Estas posibilidades, raras pero catastróficas, no deben ignorarse, dado que todavía estamos aturdidos por los horrores del 11 de septiembre. Pero tampoco han de exagerarse: aunque se puede tener acceso a secuencias de ADN vírico «peligrosas», obtenerlas es una cosa, pero otra muy distinta es hacerlas crecer con éxito en un laboratorio. Aun así, el informe indicaba que deberían ponerse a punto dispositivos de seguridad para supervisar, contener y controlar los organismos sintéticos; por ejemplo, mediante la incorporación de «genes suicidas», «frenos» moleculares, «interruptores de muerte» o «cinturones de seguridad» que reprimen las tasas de crecimiento o requieren dietas especiales, como un aminoácido nuevo, para limitar su capacidad para medrar fuera del laboratorio. Como ocurrió con nuestra bacteria «marcada», necesitamos encontrar nuevas maneras de etiquetar y marcar a los organismos sintéticos.

De manera más general, el informe pedía el diálogo internacional acerca de esta tecnología emergente, así como una formación adecuada para recordar a todos los que se dedican a estas actividades sus responsabilidades y obligaciones, entre las que no son menores la bioseguridad y la administración de la biodiversidad, los ecosistemas y los recursos alimentarios. Aunque animaba al gobierno a respaldar una cultura de autorregulación, también lo apremiaba para mantenerse vigilante acerca de las posibilidades de que la biología sintética de «hágalo usted mismo» pudiera llevarse a cabo en lo que llamaba «entornos no institucionales». Un problema al que se enfrenta quienquiera que dirija una mirada crítica a la biología sintética es que el campo evoluciona muy rápidamente. Por dicha razón, las evaluaciones de la tecnología han de revisarse continuamente, y hemos de estar dispuestos a introducir nuevas medidas de seguridad y control cuando sean necesarias.

Reconociendo que la sociedad necesita adoptar la visión de los biólogos sintéticos si la democracia ha de funcionar realmente, el informe también hacía un llamamiento al compromiso científico, religioso y civil, a la educación pública y al intercambio de puntos de vista acerca tanto de las promesas como de los peligros, sin que blogueros y periodistas empleen el sensacionalismo indolente (críticas manidas acerca de «jugar a ser Dios»), la información parcial o las distorsiones. Soy el primero en estar de acuerdo en que hemos de trabajar duro y escuchar atentamente al público, y permanecer vigilante con el fin de ganarnos su confianza.

Siempre habrá ludditas que crean que no hemos de seguir en absoluto este camino, que querrían en cambio que dejáramos de lado el proyecto de crear vida sintética y volviéramos la espalda a esta «tecnología disruptiva». En 1964, Isaac Asimov hizo una sabia observación acerca del auge de los robots, que puede aplicarse igualmente al auge de la vida rediseñada: «El conocimiento tiene sus peligros, sí, pero ¿es la respuesta retirarse del conocimiento? ¿O acaso ha de usarse el saber como una barrera para los peligros que genera? Pensando en todo esto empecé, en 1940, a escribir relatos de robots por mi cuenta…, pero relatos de robots de una variedad nueva. Nunca, nunca, uno de mis robots se habría de volver estúpidamente contra su creador por ninguna razón como no fuera para demostrar, por una tediosa vez más, el crimen y castigo de Fausto».[235] Mi mayor temor no es el mal uso de la tecnología, sino que no la usemos en absoluto, y que renunciemos a una notable oportunidad en un momento en el que estamos superpoblando nuestro planeta y cambiando el ambiente para siempre. Si abandonamos una tecnología, abandonamos los medios para usarla y salvar vidas. Las consecuencias de la inacción pueden ser más peligrosas que el uso inadecuado de la tecnología.

Puedo imaginar que, en las décadas venideras, seremos testigos de muchos hallazgos extraordinarios de valor tangible, como plantas de cultivo que serán resistentes a la sequía, que podrán tolerar enfermedades y que prosperarán en ambientes desérticos, que proveerán nuevas y ricas fuentes de proteína y otros nutrientes, que podrán ser modificadas para que depuren el agua en regiones desapacibles y áridas. Puedo imaginar el diseño de formas animales simples que proporcionen nuevas fuentes de nutrientes y productos farmacéuticos, que personalicen células totipotentes humanas para regenerar un cuerpo dañado, viejo o enfermo. Habrá asimismo nuevas maneras de mejorar el cuerpo humano, como aumentar la inteligencia, adaptarlo a nuevos ambientes como los niveles de radiación que se encuentran en el espacio, rejuvenecer músculos cansados, y así sucesivamente.

Centrémonos en los problemas globales que afectan a la humanidad. Muchas cuestiones graves amenazan ahora a nuestro mundo frágil y superpoblado, que pronto será el hogar de nueve mil millones de personas, que está agotando recursos fundamentales como la comida, el agua y la energía, y que se ve amenazado por el espectro del cambio climático, impredecible y devastador.

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Teleportación biológica

Hubo un fuerte chasquido y el hombre desapareció. Miré a Challenger con asombro. «¡Dios bendito! ¿Tocó usted la máquina, profesor?».

ARTHUR CONAN DOYLE,

Aventuras del profesor Challenger (1929)[236]

Muchas de las ideas mayores y más revolucionarias, desde los cohetes a la Luna a la invisibilidad, han sido anticipadas por el mito, la leyenda y, desde luego, la ciencia ficción. Ello también es cierto para nuestro trabajo para usar nuestra comprensión del equipo lógico de la vida para transportar las instrucciones digitales para construir un organismo vivo, o uno de sus componentes, de un lugar a otro de este planeta, o incluso entre planetas o a puntos situados mucho más alejados de nuestro sistema solar.

La perdurable idea del transportador, que desorganiza personas u objetos en un lugar y los vuelve a montar en otro, la popularizó Gene Roddenberry (1921-1991) en su serie de televisión de la década de 1960 Star Trek («¡Teletranspórtame, Scotty!»).[237] El transportador nació de un problema prosaico al que Roddenberry se enfrentaba: carecía del presupuesto necesario para mostrar una nave estelar que aterrizara en cada episodio semanal. En la misma década, las audiencias televisivas británicas conocieron al Doctor Who y su TARDIS (tiempo y dimensión relativa en el espacio), una cabina azul de la policía de Londres que puede transportar a sus ocupantes a cualquier punto del tiempo y a cualquier lugar del universo.

La idea de la teleportación no se originó con Star Trek o Doctor Who, sino que, en una u otra forma, ha sido durante siglos parte de la literatura. En Las mil y una noches, una colección de relatos y cuentos populares compilados durante la edad de oro islámica y publicados en inglés en 1706, los genios (djinns) pueden transportarse a sí mismos y transportar objetos de un lugar a otro instantáneamente. Aventuras del profesor Challenger, de Arthur Conan Doyle, publicado en 1929, describe una máquina que puede atomizar y reformar objetos. La teleportación ha sido explorada por muchos escritores de fantasía y ciencia ficción, entre ellos Isaac Asimov («Un día tan hermoso»),[238] George Langelaan (La mosca), J. K. Rowling (la serie de Harry Potter) y Steven Gould (Jumper). Aunque estas presentaciones de teleportación son puramente ficticias, el concepto de «teleportación cuántica» es una realidad, y fue presentada a una amplia audiencia por Michael Crichton en su novela de 1999 Rescate en el tiempo, de la que posteriormente se hizo un filme.

Los orígenes de la teleportación cuántica se remontan más atrás en el tiempo y se basan, en parte, en una desavenencia intelectual entre dos de los más impresionantes colegas de Schrödinger en el desarrollo de la teoría del mundo atómico (la teoría cuántica): Albert Einstein, a quien no le gustaba la extraña representación de la realidad que hacía la teoría, y Niels Bohr (1885-1962), el padre danés de la física atómica. En 1935, en el curso de esta disputa, Einstein resaltó una característica sorprendente de la teoría cuántica con ayuda de un experimento teórico que diseñó con sus colegas Boris Podolsky (1896-1966) y Nathan Rosen (1909-1995).

Primeramente observaron que la teoría cuántica era de aplicación no sólo a átomos individuales sino también a moléculas constituidas por grupos de átomos. Así, por ejemplo, una molécula que contuviera dos átomos podía describirse por una única expresión matemática llamada función de onda. Einstein se dio cuenta de que si se separaban estos dos átomos constituyentes por una distancia enorme, incluso si se los colocaba en extremos opuestos del cosmos, todavía los describiría la misma ecuación de onda. En la jerga física, estaban «enmarañados». Más de un siglo más tarde, en 1993,[239] Charles H. Bennett, de IBM, y otros teorizaron que, efectivamente, parejas de átomos enmarañados establecían una «línea telefónica cuántica» que podía «teleportar» todos los detalles (el estado cuántico) de una partícula a otra alejada una distancia arbitraria, sin saber su estado. Esto abría la posibilidad de que un transportador pudiera transmitir datos atómicos. Se han realizado experimentos para establecer que esto es realmente posible. El récord de teleportación cuántica a larga distancia en el momento de escribir esto lo tiene un equipo de investigación internacional que ha empleado la Estación Terrestre Óptica de la Agencia Espacial Europea, situada en las islas Canarias, que reprodujo las características de una partícula luminosa a través de 143 kilómetros de aire libre.[240] El experimento vio la teleportación de los estados de las partículas luminosas, o fotones, entre La Palma y Tenerife.

La teleportación posee asimismo el potencial de permitir un nuevo tipo de ordenador (un ordenador cuántico) que opere y resuelva problemas millones de veces más rápidamente que los ordenadores actuales.[241] En 1998, un grupo de Caltech informó de la primera demostración experimental de la teleportación del estado cuántico de un haz de luz.[242] La hazaña se demostró al principio entre fotones individuales, entre un fotón y materia, y entre iones (átomos cargados) individuales. Después, en 2012, se informó de la primera teleportación de objetos macroscópicos, lo bastante grandes para ser vistos, entre dos conjuntos atómicos, cada uno de los cuales consistía en alrededor de cien millones de átomos de rubidio y que medía alrededor de un milímetro de diámetro, conectados por una fibra óptica de 150 metros. El equipo que informó de la proeza (dirigido por Jian-Wei Pan, del laboratorio Nacional de Hefei para Ciencias Físicas de Microescala, de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China, en Hefei) dijo que esta técnica podía usarse para transferir e intercambiar información en futuros ordenadores cuánticos y redes cuánticas, lo que llevó a especulaciones sobre una «Internet cuántica».[243]

Por impresionantes que sean estos avances, la realidad de la teleportación de Star Trek sigue siendo una expectativa lejana. En una entrevista de Scientific American, a uno de los pioneros que hicieron el primer experimento en 1998, H. Jeff Kimble, de Caltech, se le preguntó que describiera la mayor idea falsa sobre la teleportación: «Que se envía el propio objeto. No estamos enviando nada material. Si yo quisiera enviarle un Boeing 757, podría enviarle todas las piezas, o podría enviarle un esquema que mostrara todas las partes, y es mucho más fácil enviar un esquema. La teleportación es un protocolo acerca de cómo enviar un estado cuántico (una función de onda) desde un lugar a otro».[244] Se necesitaría del orden de 10³² bits de información acerca de sus átomos para teleportar con éxito un ser humano.

Pero, desde luego, tal como sugiere Kimble, se pueden transmitir instrucciones o equipo lógico digitalizados. Un genoma humano contiene sólo unos 6 × 10⁹ bits de información. Mi equipo está perfeccionando una manera para enviar la versión digitalizada de código de ADN en la forma de una onda electromagnética, y después usar un receptor único en una localidad distante para recrear vida. Esto señalaría una transformación entre dos ámbitos fundamentales de tipos de partículas. Toda la vida que conocemos en la Tierra es un sistema de base química de la que todos los elementos estructurales (ADN, ARN, proteínas, lípidos y otras moléculas) están compuestos por átomos individuales de diferentes elementos químicos (carbono, hidrógeno, oxígeno, hierro, etc.). Los elementos y sus propias piezas constituyentes (por ejemplo, los electrones, que orbitan alrededor del núcleo, y los quarks, que constituyen el núcleo),[*] son denominados colectivamente fermiones. («Fermiones», en referencia al gran Enrico Fermi [1901-1954], es un término inventado por el físico inglés Paul Dirac [1902-1984], que compartió el premio Nobel de Física de 1933 con Erwin Schrödinger «por el descubrimiento de nuevas formas productivas de la teoría atómica»). La otra clase genérica está constituida por los bosones, que incluyen la partícula de Higgs y todas las partículas que portan fuerzas, en especial los gluones, el W y el Z, y el fotón, que es lo que constituye las ondas electromagnéticas. La diferencia clave entre fermiones y bosones es una cualidad cuántica denominada «espín». Los bosones tienen, por definición, un espín entero; todos los quarks, los electrones y otros fermiones tienen un espín que es la mitad de la unidad. Esto produce una enorme diferencia en su comportamiento y, en el caso de los fermiones, es responsable de toda la química y, por lo tanto, de la biología.

Cuando leemos el código genético mediante la secuenciación de un genoma, estamos convirtiendo el código físico del ADN en un código digital que puede transformarse en una onda electromagnética susceptible de transmitirse a la velocidad de la luz. Fue Dimitar Sasselov, director del Proyecto Harvard de los Orígenes de la Vida, quien llamó mi atención a cómo este hecho se sitúa entre los dos grandes dominios de partículas:

De modo que la vida, tal como la conocemos, y como parece que se ha originado históricamente en nuestro planeta, es un fenómeno fermiónico: todas sus estructuras están constituidas por fermiones. La información codificada en la molécula de ADN se codifica con la ayuda de fermiones, y se lee con ayuda de fermiones. Nuestra capacidad en la actualidad de representar esta información en forma digital y de transmitirla a distancia utilizando ondas electromagnéticas (¡a la velocidad de la luz!) señala la transición de la vida desde puramente fermiónica a la vida bosónica.[245]

En Synthetic Genomics, Inc. (SGI), podemos introducir el código digital del ADN en un programa informático que automáticamente calcula cómo resintetizar la secuencia en el laboratorio. Esto automatiza el proceso de diseñar oligonucleótidos de cincuenta a ochenta pares de bases que se solapan, añadiendo lugares únicos de restricción y marcas de agua, y después los introduce en el sintetizador integrado de oligonucleótidos. El sintetizador producirá rápidamente los oligonucleótidos, que serán combinados y montados automáticamente utilizando nuestro robot de montaje de Gibson.

Aunque la síntesis de oligonucleótidos puede realizarse con una fidelidad notablemente superior a la que era posible hace cuarenta años, sigue siendo un proceso propenso a los errores que produce, efectivamente, una fracción de secuencias de ADN imprevistas, fracción que aumenta con el tamaño de los fragmentos de ADN sintético. La tasa de errores de síntesis para el ensamblaje de oligonucleótidos estándar es, en general, de alrededor de un error por mil pares de bases. Así, de esta tasa cabe esperar que si los errores en los oligonucleótidos no se eliminan pronto en el proceso de construcción (por ejemplo, mediante clonación y secuenciación, o con un enzima corrector de errores), la mayoría de fragmentos de ADN, si no todos, de más de diez mil bases contendrán errores. Para resolver este problema fundamental, hemos dado con una nueva aproximación que debería preparar el camino para la síntesis de ADN con alta fidelidad.

Después del ensamblaje de óligos y de la amplificación mediante PCR, ahora podemos eliminar cualquier ADN que contenga errores con un enzima llamado endonucleasa. Este robot biológico concreto fue descubierto al emplear un sistema de equipo lógico denominado Archetype, que desarrollaron Toby Richardson y su equipo en SGI para almacenar, gestionar y analizar datos de secuencias biológicas. El proceso de «corrección de errores» se inicia desnaturalizando y templando el ADN amplificado mediante la PCR, de modo que forma ADN de doble hebra. Unas pocas moléculas del ADN de doble hebra contienen la correcta secuencia de ADN en cada posición y son ignoradas por la endonucleasa. Sin embargo, en el ADN en el que ha habido una sustitución, deleción o inserción, se forma ADN de doble hebra con pares de bases que no se corresponden, llamado ADN heterodúplex. Éste es reconocido y separado por la endonucleasa.

El hecho de que las moléculas intactas se amplifiquen de manera más eficiente que el ADN digerido por la endonucleasa significa que podemos usar una segunda reacción de PCR para enriquecer el porcentaje de fragmentos sintéticos libres de errores. Este enfoque produce por lo general tasas de error mucho menores, mejores que uno por cada quince mil pares de bases sintetizadas, y puede mejorarse todavía más si se realizan rondas adicionales de corrección de errores. En esta fase hemos producido una molécula de ADN con suficiente precisión para que pueda ser el producto final por propio derecho, como una vacuna de ADN (en la que el ADN se introduce en células del cuerpo para que produzcan una vacuna proteínica). Pero el potencial es ilimitado. Con ADN sintetizado, finalmente será posible crear todo tipo de formas de vida.

Empleando la síntesis de proteína in vitro y sin células del tipo que por primera vez produjo Marshall Nirenberg en la década de 1960, ahora pueden utilizarse constructos de ADN para producir proteínas en un sistema automatizado. Sólo hace falta que el ADN de un fago o un virus se introduzca en una célula bacteriana receptora, donde se apoderará de la maquinaria celular de síntesis de proteína y ADN y hará muchas copias de sí mismo.

A veces puede ser difícil ver más allá del horizonte del potencial actual en el momento en el que una tecnología, como la del «teleportador biológico» está cristalizando en algo real a partir de una idea. Este fue el caso, ciertamente, del láser, que inicialmente se calificó de una solución en busca de un problema.[246] Pero pienso que ya puedo percibir de qué manera nuestro futuro será modelado por la capacidad de traducir el equipo lógico de la vida en luz. La capacidad de enviar código de ADN a cualquier lugar del planeta en menos de un segundo plantea todo tipo de posibilidades cuando es cuestión de tratar enfermedades. Esta información podría codificar una nueva vacuna, una proteína con valor medicinal (como la insulina o la hormona de crecimiento), un fago para combatir una infección causada por una cepa resistente de bacteria, o una nueva célula para producir sustancias terapéuticas, alimentos, combustibles o agua limpia. Cuando se combine con sintetizadores domésticos, esta tecnología permitirá asimismo tratamientos que se podrán hacer a medida para cada persona, de modo que se adapten a la constitución genética de un paciente y, como resultado, minimicen los efectos colaterales.

La aplicación inmediata más obvia es distribuir vacunas en la eventualidad de la aparición de una pandemia de gripe. El último brote de este tipo se anunció el 11 de junio de 2009, cuando la Organización Mundial de la Salud declaró que la gripe H1N1 (la gripe porcina) era la primera pandemia en más de cuarenta años, lo que desencadenó una respuesta internacional para enfrentarse a esta gran amenaza a la salud pública. El resultado fue el programa de desarrollo de una vacuna más rápido de la historia. En cuestión de seis meses se habían producido y distribuido por todo el mundo cientos de millones de dosis de vacunas, demostrándose así la capacidad de una movilización y cooperación rápidas entre instituciones del sector público y del sector privado de todo el mundo.

Pero a pesar de esta respuesta rápida sin precedentes, no fue lo bastante célere. Cantidades significativas de la vacuna no estuvieron disponibles hasta dos meses después del máximo de la infección vírica, lo que dejó a la mayoría de la población expuesta al patógeno en el punto culminante de su circulación. Aunque la tasa de mortalidad fue relativamente baja, un número enorme de personas estuvo expuesto al virus. Alrededor de doscientos cincuenta mil personas murieron por causa del H1N1 y, debido a la naturaleza de esta gripe concreta, la mayoría de ellas eran jóvenes. Si el virus hubiera sido más patógeno, el tiempo de demora en la disponibilidad de la vacuna podía haber resultado en una crisis sanitaria grave, que bien pudiera haber conducido a conflictos, desórdenes y colapso social en las ciudades afectadas.

Hace un siglo, una cepa de gripe[*] gravemente patógena se extendió por el planeta, con consecuencias devastadoras. En todo el mundo, el número de muertes de la pandemia de 1918-1920 (unos cincuenta millones de personas) fue mayor que el de la primera guerra mundial. Un médico dijo que era «el tipo de neumonía más nocivo que se haya visto jamás». Utilizando datos de mortalidad de aquella pandemia, un equipo dirigido por Christopher Murray, de la Universidad de Harvard, predijo en Lancet que si una pandemia similar tuviera lugar en la actualidad, en el plazo de un año morirían sesenta y dos millones de personas, el 96% de ellas en el mundo en vías de desarrollo. La reciente pandemia de la gripe porcina fue una llamada a las armas y puso de relieve la necesidad de hacer llegar rápidamente vacunas a la gente.

Synthetic Genomics, Inc., y el J. Craig Venter Institute han anunciado un acuerdo de colaboración de tres años con Novartis para aplicar herramientas y tecnologías de genómica sintética para acelerar la producción de cepas de base de la gripe. La cepa de base es el cultivo iniciador de un virus, un virus vivo de referencia, y a partir de la cual pueden producirse cantidades mayores del virus de la vacuna. El acuerdo, que ha sido respaldado con un premio de la Autoridad de Investigación Biomédica Avanzada y su Desarrollo, de Estados Unidos (BARDA), podría llevar en último término a una respuesta más efectiva tanto para los brotes de gripe estacionales como para las pandemias.

En la actualidad, Novartis y otras compañías que fabrican vacunas se basan en la Organización Mundial de la Salud para identificar y distribuir los virus de base. Para acelerar el proceso estamos usando un método denominado «vacunología inversa», que Rino Rappuoli, en la actualidad en Novartis, fue el primero en aplicar al desarrollo de una vacuna meningocócica. La idea básica es que puede examinarse el genoma patogénico completo de un virus de la gripe empleando aproximaciones bioinformáticas para identificar y analizar sus genes. A continuación se seleccionan genes concretos por atributos que puedan ser buenas dianas para las vacunas, como las proteínas de la membrana externa. Después, estas proteínas se someten a ensayos normales para obtener respuestas inmunes.

Mi equipo ha secuenciado genes que representan la diversidad de virus de la gripe que se han encontrado desde 2005. Hemos secuenciado los genomas completos de una gran colección de aislados de la gripe humana, así como un número selecto de cepas de gripes aviares y otras gripes no humanas relevantes para la evolución de los virus con potencial de pandemia, y hemos hecho que la información sea asequible públicamente. Las cepas se han elegido de tal manera que representen muchos subtipos con una amplia distribución geográfica y cronológica. Como resultado de nuestra colaboración, Novartis y SGI habrán desarrollado un «banco» de virus de base construidos sintéticamente que están listos para entrar en producción tan pronto como la Organización Mundial de la Salud identifique las cepas de los virus en circulación. Dicha tecnología podría reducir el tiempo de producción de la vacuna en hasta dos meses, lo que supondría un beneficio crítico en la eventualidad de una pandemia.

La fabricación de vacunas estándar de la gripe es un proceso que consume mucho tiempo. Un paso importante que limita su velocidad es la demora entre la selección de la cepa (cuando la OMS y los Centros para el Control de la Enfermedad, en Atlanta, identifican la cepa o cepas circulantes y emiten una recomendación global para la creación del virus de la gripe de base y específico) y la producción real de la vacuna. El método tradicional de fabricación se basa en hacer crecer los virus en huevos de gallina fecundados. En total, el proceso tarda unos treinta y cinco días; este incluye el ensayo y distribución de un virus de referencia, coinfección en huevos con virus fundamentales estándar, y aislamiento y purificación de las semillas de la vacuna. Al sacar partido de las ventajas de los principales avances en biología sintética y en la fabricación basada en células, y mediante la introducción del apasionante concepto de conversión de digital a biológico, nosotros y Novartis hemos producido vacunas de mejor calidad en menos de cinco días.

La vacuna se basa en las proteínas de la cubierta vírica hemaglutinina (HA), que forma pinchos que permiten que el virus de la gripe se fije a las células objetivo, y neuraminidasa (NA), que forma estructuras en forma de botones en la superficie de las partículas víricas y cataliza su liberación desde las células infectadas, lo que permite a los virus diseminarse. Una vez se han producido genes sintéticos de alta fidelidad de HA y NA, el paso siguiente es «rescatar» toda la vacuna de base mediante la combinación de la HA y NA con el otro puñado de genes del genoma de la gripe, que tiene el equipo lógico para producir sólo once proteínas. Utilizamos un proceso de genética inversa con una línea celular Novartis MDCK (riñón canino Madin-Darby), aprobada por la Dirección de Alimentos y Medicinas de Estados Unidos en 2012 para sustituir a los huevos en la fabricación de vacunas de la gripe. Las células se infectan con cartuchos lineales sintéticos que codifican los genes relevantes. Los virus de la gripe pueden detectarse en medios de cultivos celulares a las setenta y dos horas después de la transfección, y la cepa vírica deseada puede aislarse para su ulterior amplificación y su uso eventual como simientes de vacunas.

El 29 de agosto de 2011 se realizó un ensayo de prueba de concepto para demostrar la competencia y robustez del proceso de producción de vacunas sintéticas de base. Empezando con secuencias génicas de HA y NA procedentes de una cepa de gripe aviar HtN9 norteamericana de baja patogenicidad que había proporcionado la BARDA y que se había obtenido de los Centros de Control de Enfermedades, se inició la síntesis de oligonucleótidos a las 8 de la mañana. A mediodía del 4 de septiembre, exactamente cuatro días y cuatro horas después del inicio del proceso, se produjo el virus de base. Desde que se terminó esta demostración inicial de prueba de concepto, el proceso se ha repetido con éxito para múltiples cepas y subtipos de gripe adicionales, entre ellos el H1N1, H5N1 y H3N2. En el momento de escribir esto, no se han encontrado cepas que no puedan ser ensambladas y rescatadas sintéticamente. En 2013, nuestro robot de montaje de ADN hizo los genes H7N9 sin intervención humana ninguna.

El proyecto de gripe sintética entra ahora en las siguientes e importantes fases de desarrollo. La producción rápida y eficiente de simientes de vacunas revela nuevas oportunidades para estar preparado para una pandemia cuando se combina con el conocimiento de cómo evoluciona el virus. Los virus de la gripe son dinámicos y cambian de dos maneras básicas: deriva antigénica y cambio antigénico. La deriva, que es constante, se refiere a cambios pequeños y graduales que tienen lugar mediante mutaciones puntuales en los dos genes que contienen el material genético para producir las principales proteínas de superficie que se mencionaron anteriormente, la hemaglutinina y la neuraminidasa. El cambio antigénico se refiere a un cambio importante y súbito para producir un virus de la gripe nuevo, ya sea mediante transmisión directa de animales (como cerdos o aves) a humanos, ya sea mediante la mezcla de los genes del virus de la gripe humana A y de la gripe animal A para crear un nuevo virus de la gripe humana del subtipo A, mediante un proceso llamado reclasificación genética. Mediante la supervisión y el análisis de los cambios en el virus de la gripe y de nuevas cepas víricas, podemos empezar a prepararnos ante cepas que se han predicho, en lugar de reaccionar de forma desordenada cuando tenga lugar un brote real. Para aquellas cepas que representen amenazas potenciales, pueden producirse por adelantado simientes de vacunas y mantenerlas en bancos de simientes víricas, disponibles de inmediato cuando se las necesite.

La preparación para la siguiente pandemia está en marcha. En la actualidad se está construyendo una base de datos general que incluirá los datos de las secuencias de gripes pasadas, variaciones antigénicas y características del crecimiento de las cepas, y ya está poblada con casi sesenta y seis mil secuencias de aislados y treinta y tres mil conjuntos de datos de antígenos. Se están desarrollando algoritmos avanzados para predecir cambios en la proporción de las subpoblaciones de virus en circulación a lo largo del tiempo, para generar estimas para la mejor cepa de vacuna (y vacunas candidatas) que proporcione protección, y para mejorar la capacidad predictiva de la selección de cepas.

Otro paso clave hacia vacunas de la gripe avanzadas de base sintética es la integración y la intensificación de simientes de vacunas sintéticas con la fabricación a gran escala que permita la producción comercial de vacunas. Novartis está empezando a hacer que esto sea una realidad, realidad que tiene implicaciones enormes para la respuesta global ante una pandemia. La velocidad, facilidad y precisión con que se pueden producir simientes de vacunas de la gripe de alto rendimiento mediante el empleo de técnicas sintéticas promete no sólo respuestas más rápidas ante futuras pandemias, sino un suministro más fiable de vacunas para las pandemias de gripe.

Aunque las vacunas son el mejor medio de prevención contra las pandemias, y la biología sintética nos ha ayudado a hacerlas más efectivas, ahora nos enfrentamos a otra amenaza importante relacionada con las infecciones, pues una de las armas más importantes de la humanidad en la lucha contra la enfermedad, los antibióticos, se está poniendo rápidamente en riesgo. Hemos gozado de un alto el fuego en la guerra histórica con los microbios desde mediados del siglo pasado, después de que en 1928 el microbiólogo inglés Alexander Flemming (1881-1955) descubriera por casualidad la penicilina, y se desarrollara un método para producir el medicamento en masa por parte del australiano Howard Walter Florey (1898-1968), junto con el alemán Ernst Boris Chain (1906-1979) y el bioquímico inglés Norman Heatley (1911-2004).[247] Junto con Fleming, Florey y Chain compartieron el premio Nobel de Medicina de 1945 por su trascendental trabajo. Durante las últimas ocho décadas se han usado antibióticos para curar una gama de enfermedades infecciosas que antes eran mortales, salvando así millones de vidas, y han extendido mucho el uso de la cirugía: imagine el lector intentar la extracción del apéndice sin ellos, por no hablar ya de la cirugía cardíaca, renal o de la cadera.

Aunque esta familia de medicamentos ha tenido un efecto colosal a la hora de extender la duración de la vida, desde el inicio los microbios a los que van dirigidos han contraatacado. Poco después de que se empleara penicilina para tratar a los soldados en la segunda guerra mundial, las bacterias ya habían evolucionado para resistir este antibiótico común. La percepción de la manera en que las bacterias podían no hacer caso de un antibiótico determinado procedió de unos elegantes experimentos que en la Universidad de Wisconsin realizó Joshua Lederberg (1925-2008), quien se sintió inspirado para estudiar la genética bacteriana por un artículo seminal de Avery, MacLeod y McCarty de 1944 que identificaba el ADN como el «principio transformador». Trabajando con su esposa, Esther Zimmer Lederberg, demostró que cepas de bacterias resistentes a la penicilina ya estaban presentes de forma natural antes de que la penicilina se usara como medicamento, parte de una gama de importantes investigaciones que le valdrían el premio Nobel.

Las cepas resistentes emplean un amplio abanico de proteínas para neutralizar los efectos de los antibióticos. Antibióticos tales como la tetraciclina y la estreptomicina se enlazan a una región específica de un ribosoma para alterar la síntesis de proteínas, y un sistema que los microbios han encontrado por evolución para frustrar la acción de estos medicamentos es fabricar ribosomas que no se enlazan con ellos. Algunos microbios han desarrollado «bombas de efusión», proteínas que pueden expulsar un antibiótico antes de que tenga tiempo para actuar. Algunas cepas resistentes se recubren con membranas impermeables. Otros microbios incluso «comen» antibióticos.[248] Existen tantos mecanismos de resistencia[249] que hay quien se refiere incluso al «resistoma».[250]

Debido a que las bacterias se dividen tan rápidamente, cualquier cepa resistente acaba pronto por dominar en una población. También emplean otro mecanismo para extender la resistencia: pueden trocar su equipo lógico de ADN en un proceso denominado «transferencia génica lateral», también llamado transferencia génica horizontal. Lederberg demostró una manera en que podían hacerlo, a través de contacto de célula a célula o mediante una conexión de tipo puente.[251] A nivel molecular, intercambian plásmidos que pueden contener diversos genes de resistencia a antibióticos. Si esta transferencia tiene éxito, nace un superbicho.

El desarrollo de organismos resistentes es inevitable, pero, lamentablemente, ha sido espoleado por un control deficiente de las infecciones, gran parte del cual se resume en una higiene mínima y lavarse las manos, o no hacerlo. El aumento de la resistencia se ha visto asimismo impulsado por el uso indiscriminado de medicamentos antibióticos, notablemente en la ganadería; por el mal uso al tratar infecciones víricas, como el resfriado común; por el uso deficiente, cuando un tratamiento mediante un antibiótico no se completa; y por el uso excesivo, en jabones y otros productos domésticos. Por si esto no fuera ya bastante malo, las condiciones actuales del mercado presentan pocos incentivos para que las compañías emprendan el arduo esfuerzo de desarrollar antibióticos nuevos. A diferencia de los medicamentos para el corazón y otros, los antibióticos se toman sólo durante una semana, aproximadamente. El aumento inexorable de la resistencia significa que todos los medicamentos antibióticos están destinados a ser inútiles pasado un tiempo, de modo que la vida de un nuevo antibiótico en las estanterías de las farmacias es limitada.

Este es un ejemplo elocuente de evolución darwiniana, aunque sea un ejemplo con un mensaje deprimente: la edad de oro de los antibióticos puede hallarse en su final. Hay incontables ejemplos del avance de la resistencia: un acechador permanente de las salas de los hospitales, Staphylococcus aureus resistente a la meticilina, ha adquirido una resistencia completa a la vancomicina, que a veces se considera un tratamiento último y desesperado. Durante los últimos años se ha expresado una y otra vez el temor de que nos hallemos ante un retorno a una era previa a los antibióticos,[252] cuando la mayor causa de muerte eran las enfermedades originadas por bacterias y el hospital local era un foco de infección, el último lugar en el que uno quisiera estar si realmente desea mejorar.

La genómica puede ayudar mucho. Podemos reseguir la aparición de un superbicho, aprender de qué manera desafía a los antibióticos, y encontrar nuevas dianas para medicamentos. También podemos valernos de la genómica sintética para producir alternativas a los antibióticos. Un enfoque al que nos dedicamos es revisitar un tratamiento antibacteriano llamado terapia fágica, en la que se usan bacteriófagos que son específicos de una cepa bacteriana determinada para matar el microbio. Cada pocos días, la mitad de las bacterias de la Tierra son muertas por fagos.[253] ¿Podemos conseguir su ayuda en la lucha contra los superbichos?

Los bacteriófagos, que son diez veces más abundantes que las bacterias, fueron descubiertos (quizá de manera independiente por dos personas)[254] hace un siglo. El primero en identificarlos, en 1915, fue el científico inglés Frederick Twort (1877-1950), un erudito excéntrico que fabricaba violines, radios y más cosas, y que también intentó producir el mayor guisante de olor de Inglaterra.[255] El microbiólogo francocanadiense Félix d’Herelle (1873-1949) aparece en el relato de los fagos en 1917, y fue el primero en emplear el término bacteriófagos («comedores de bacterias») para describirlos. Sostenía que el fenómeno que Twort había descrito era muy diferente.[256] Al especular que los bacteriófagos desempeñaban un papel en la recuperación de la disentería, D’Herelle reconoció su potencial en la lucha contra la infección[257] y realizó el primer estudio humano en 1919. Después que D’Herelle y sus colegas ingirieran la preparación de fagos en dosis elevadas con el fin de confirmar su inocuidad, administró una preparación de fagos diluida a un muchacho de doce años con disentería grave, que recobró la salud a los pocos días.

Los estudios de D’Herelle contribuyeron a explicar una observación sorprendente: ¿qué había en las aguas, como las que se encuentran en los ríos Ganges y Yamuna, en la India, a las que llegan gran cantidad de aguas fecales, que proporcionaba protección frente al cólera?[258] Ahora la respuesta es clara. Una gota de agua del río o de albañal está llena de millones de fagos. En la década de 1930, compañías en Europa y América fabricaban cócteles de fagos para el tratamiento de muchas infecciones. Dos de los laboratorios más prominentes eran el de D’Herelle, en Francia y otro del que fue cofundador, en Tbilisi, en la república soviética de Georgia, en 1923. El laboratorio recibió el nombre de Instituto Eliava de Bacteriófago, Microbiología y Virología, por su cofundador, el investigador de fagos georgiano Giorgi Eliava (1892-1937), que tenía la protección del dictador soviético Iósif Stalin. Debido en parte a su colaboración con científicos extranjeros, entre ellos D’Herelle, y por acosar a una mujer que también era admirada por Lavrenti Beria, el jefe de la policía secreta de Stalin, Eliava fue declarado públicamente un «enemigo del pueblo» y ejecutado en 1937.[259] El Instituto Eliava sobrevivió sin su fundador y se convirtió en una de las mayores instalaciones que desarrollaban fagos terapéuticos, y en su época álgida producía varias toneladas diarias. En 1989, Mijaíl Gorbachov, el último presidente de la Unión Soviética, restituyó el nombre de Eliava durante una reevaluación de las víctimas de la Gran Purga.

A mediados de la década de 1930, la publicidad y la esperanza de que la terapia fágica acabaría con las enfermedades bacterianas no había conseguido materializarse, y cualquier evidencia de su eficacia había quedado empañada por la falta de estandarización de materiales.[260] Durante aquella década, la Asociación Médica Americana emitió críticas fulminantes al método,[261] pero al encontrarse como se encuentran en el límite de la vida, los fagos continuaron fascinando a investigadores básicos. Como muestra de la importancia que conferían a este trabajo, Alfred Hershey y Salvador Luria incluso establecieron la «iglesia del fago», con Max Delbrück dedicado a los fundamentos de la replicación biológica, y por lo tanto de la herencia.

Los ejércitos soviético y alemán emplearon la terapia fágica en la segunda guerra mundial, pero con la aparición de los antibióticos y el final de aquel conflicto, en Occidente acabó por considerarse sospechosa, junto con todo lo que olía a comunista, en la época de la posguerra.[262] Un discípulo de la «iglesia» de Delbrück, Gunther Stent, escribió en 1963 que «el extraño capítulo de la historia de la medicina que es la terapia mediante bacteriófagos puede ahora considerarse absolutamente cerrado. Nunca se ha explicado de manera adecuada por qué los bacteriófagos, que son tan virulentos en su acción antibacteriana in vitro, demostraron ser tan impotentes in vivo».[263]

Una razón es que la historia de la terapia fágica (de modo muy parecido a la historia de prácticamente todo lo que uno pueda pensar) es «rica en política, enemistades personales y conflictos no reconocidos».[264] Pero otra razón más importante es que se tuvo que esperar a la aparición de métodos científicos modernos para refinar la terapia. Por suerte, cuando la Unión Soviética se disolvió, en 1991, el Instituto Eliava todavía suministraba fagos para la recientemente independiente Georgia, y se estaba haciendo un trabajo importante en el Instituto Ludwik Hirszfeld de Inmunología y Terapia Experimental, de Wroclaw, Polonia. Hoy en día, mientras la carrera de armamentos con los microbios continúa virando en su favor, muchísimos investigadores (incluidos los de mi equipo) reevalúan el uso de fagos para combatir infecciones.[265]

A diferencia de los antibióticos tradicionales, que pueden causar daños colaterales al matar un número enorme de bacterias «amistosas» de nuestro cuerpo, como las que nos permiten digerir la comida, los fagos son como «bombas inteligentes» moleculares, que se dirigen únicamente a una o unas pocas cepas o subcepas de bacterias. Ahora tenemos una imagen detallada de cómo estas máquinas de matar microbianas pueden atacar a una única especie de bacteria con precisión quirúrgica. Tomemos por ejemplo el fago T4, que fue estudiado por muchos pioneros del campo, desde Max Delbrück y Salvador Luria hasta James Watson y Francis Crick. Las ciento sesenta y nueve mil bases de su genoma contienen todas las instrucciones necesarias para infectar y destruir el microbio E. coli.

El fago T4, que mide alrededor de noventa nanómetros de ancho y doscientos nanómetros de largo, es grande comparado con otros fagos, y tiene el aspecto de una sonda espacial microscópica, con «patas» que se fijan a receptores específicos de la superficie de una célula de E. coli, y una cola hueca que puede inyectar su equipo lógico en la bacteria. (Recientemente se ha descubierto que el T4 puede perforar la membrana celular con una púa rematada en hierro.[266]) Aunque el ADN inyectado es muy diferente al de su patrón, el lenguaje del código es el mismo, de manera que la bacteria diana sigue las instrucciones para construir un fago, y en el proceso se destruye. Después de producir del orden de cien a ciento cincuenta fagos, la bacteria revienta, y libera al entorno un conjunto de fagos acabados de producir.

Tal como ocurre con los antibióticos, las células pueden mutar para sobrevivir y desarrollar resistencia a los fagos.[267] Los humanos también eliminan rápidamente a los fagos del torrente sanguíneo. Pero parece ser que los fagos ofrecen una interesante alternativa a los antibióticos. Hasta la fecha, los que han sido empleados en terapia han sido aislados del ambiente, incluidas las aguas negras, y la ciencia se ha visto limitada a la gama de fagos naturales. Sin embargo, con nuestras nuevas herramientas de síntesis y montaje de ADN, podemos diseñar y sintetizar cientos de nuevos fagos al día, o sintetizar del orden de cinco mil nuevas variaciones sobre un tema de secuencia. Con esta capacidad única seremos capaces de comprobar y realizar el sueño de D’Herelle.

Dichas tecnologías permitirán un ciclo de diseño de bacteriófagos completo y rápido que se extienda desde el aislamiento a la caracterización, la manipulación y la evolución, lo que llevará al montaje de bibliotecas de fagos terapéuticos optimizados para su uso clínico para combatir a los superbichos. Tal como demostramos con el phi X 174, la selección por infectividad (en la que una bacteria diana multiplica servicialmente los fagos más adecuados para infectarla) es una herramienta muy potente que permitirá con facilidad el análisis rapidísimo de fagos recién sintetizado en busca de los rasgos deseados de espectros de efectividad amplios o muy selectivos.

Quizá en el futuro seamos capaces de secuenciar un agente infeccioso a partir de un paciente individual para identificar el microbio diana y diseñar rápidamente una terapia fágica personalizada. El nuevo fago podría ser enviado al instante al paciente o al centro terapéutico u hospital mediante la tecnología de teleportación que he descrito. También podrían manipularse fagos sintéticos para que fueran efectivos al máximo. Por ejemplo, podrían diseñarse para que se dirigieran a proteínas y circuitos génicos de los superbichos que fueran distintos a los afectados por medicamentos convencionales para ser utilizados solos o en combinación con antibióticos. Creemos que podemos producir versiones más potentes de una poderosa máquina de matar antibacteriana llamada lisina, que ayuda a un fago a salir de una célula infectada. Una lisina denominada PlyC (lisina del fago estreptocócico C1) mata a las bacterias más rápidamente que la lejía y está compuesta por nueve partes de proteína que se unen para formar lo que parece un platillo volante, que se fija a la superficie bacteriana mediante ocho lugares de acoplamiento separados situados en un lado del platillo.[268] Las dos «cabezas explosivas» de la PlyC perforan la pared celular, matan a la bacteria y liberan los fagos. Se han desarrollado lisinas que controlan una amplia gama de patógenos Gram-positivos como Staphylococcus aureus, Streptococcus pneumoniae, Enterococcus faecalis, E. faecium, Bacillus anthracis y estreptococos del grupo B.

Debido a la gran especificidad de los fagos, cabría esperar también que fueran seguros. En agosto de 2006, la FDA aprobó rociar la carne con una preparación de fagos dirigida a Listeria monocytogenes, creada por la compañía Intralytix. Al año siguiente, un ensayo clínico inicial se completó en el Real Hospital Nacional de Garganta, Nariz y Oído, de Londres, para las infecciones por Pseudomonas aeruginosa del oído (otitis), y los resultados fueron prometedores.[269]

Es probable que nos demos cuenta del valor potencial de emplear nuevos fagos sintéticos para tratar infecciones resistentes a los medicamentos debido al ritmo acelerado de los descubrimientos en el campo de la genómica sintética y de la tecnología para transmitir información genética casi de inmediato. Pero todavía necesitamos el rigor de los métodos modernos para sacar a la terapia fágica de su pasado pseudocientífico. Dichas terapias pueden ser controvertidas porque se trata de cócteles de virus que tienen el potencial de multiplicarse y evolucionar. Después de todo, tienen un papel en las enfermedades al proveer de genes a las bacterias, como el relacionado con la difteria, de manera que la aprobación de seguridad requerirá trabajo muy meticuloso. Aun así, sospecho que estos temores se disiparán rápidamente cuando este enfoque empiece a demostrar resultados prometedores, como en medicina veterinaria, o para tratar trastornos comunes como el acné.[270]

Para colaborar a la realización del potencial para reducir las enfermedades infecciosas, mi equipo ya está ensayando métodos de transmitir y recibir equipo lógico de ADN. La NASA nos ha financiado para realizar experimentos en su localidad de pruebas del desierto de Mojave, que se extiende por California, Nevada, Utah y Arizona. Utilizaremos el laboratorio móvil del JCVI, que está equipado con muestreadores de suelo, aislamiento de ADN y equipo de secuenciación de ADN, para documentar y probar todos los pasos requeridos para aislar microbios del suelo de manera autónoma, secuenciar su ADN y después transmitir la información a la nube con lo que llamamos una «unidad de envío de vida digitalizada».

No tengo ninguna duda de que esta tecnología funcionará. Hemos hecho una versión más primitiva de muestreo remoto alrededor del globo durante la última década, en su mayor parte en la expedición del Sorcerer II, que lleva el nombre del yate que yo empleaba para viajar por los océanos del mundo. Hemos recorrido más de ochenta mil millas en el mar, tomando muestras cada doscientas millas, y si hubiéramos tenido el tipo de tecnología que se ha descrito antes habría sipo posible secuenciar al tiempo que navegábamos. En cambio, debido a la actual fragilidad de los secuenciadores de laboratorio, teníamos que fiarnos de Federal Express y de UPS para enviar las muestras a nuestros laboratorios.

Para complementar nuestro proyecto de construir una unidad para enviar vida digitalizada, estamos construyendo una unidad receptora, en la que el ADN transmitido pueda reproducirse de nuevo. En la actualidad, este dispositivo tiene varios nombres, entre ellos «convertidor biológico digital», «teleportador biológico» y (el preferido por el antiguo editor jefe de Wired, Chris Anderson) «replicador de vida». Crear vida a la velocidad de la luz es parte de una nueva revolución industrial que verá como la fabricación se aparta de las fábricas centralizadas de antaño y pasa a una fabricación futura, distribuida y doméstica, gracias a las impresoras 3D. Ya se está utilizando esta tecnología para ensamblar células madre embrionarias en tejidos, hacer crecer huesos y construir aviones o incluso edificios enteros mediante «impresión de cemento». ¿Por qué atiborrar los almacenes de piezas de repuesto cuando ahora se pueden almacenar diseños enteros en almacenes informáticos virtuales a la espera de ser impresos localmente y según las necesidades? Un día podremos llegar al punto en que las personas puedan producir todos los productos que deseen, desde manijas de puertas hasta teléfonos inteligentes, incluida la siguiente generación de impresoras 3D. Pronto seremos capaces de tomar una foto de una pieza rota de una lavadora, un televisor o cualquier otro aparato electrodoméstico con nuestro teléfono inteligente, y después pagar la autorización para imprimir en casa la pieza de repuesto. Como resultado, las piedras angulares de la cultura del consumo (el centro comercial y la fábrica) se harán cada vez más irrelevantes.

Las consideraciones económicas clave de esta situación hipotética serán las materias primas y los costes de propiedad intelectual. En cuanto a los beneficios, creo que los más revolucionarios podrían ser el uso de impresoras especializadas para la fabricación biológica. En este momento del tiempo estamos limitados a producir moléculas de proteína, virus, fagos y células microbianas sencillas, pero el campo se moverá con extrema rapidez hacia sistemas vivos más complejos. Ya existen versiones domésticas de impresoras 3D, y ya hay varios grupos que están considerando el uso de impresoras de chorro de tinta para imprimir células y órganos. Es esta un área fascinante, que funciona instalando capas de células vivas sobre una matriz estructural con la forma de un vaso sanguíneo o un órgano humano. Sea como sea que acabemos llamando a estos dispositivos, confío en que en los próximos años seremos capaces de convertir información digitalizada en células vivas que llegarán a ser organismos pluricelulares complejos o que podrán «imprimirse» para formar tejidos tridimensionales funcionales. La capacidad de imprimir un organismo queda algo distante, pero muy pronto se convertirá en una posibilidad. Nos dirigimos a un mundo sin fronteras en el que electrones y ondas electromagnéticas transmitirán información digitalizada aquí, allí y a todas partes. Montada sobre estas ondas de información, la vida se desplazará a la velocidad de la luz.

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La vida a la velocidad de la luz

El cambio de cuerpos a luz y de luz a cuerpos es muy acorde con el curso de la naturaleza, que parece deleitarse con las transmutaciones.

Sir ISAAC NEWTON, Opticks (1718)[271]

Cuando la vida sea finalmente capaz de viajar a la velocidad de la luz, el universo se encogerá, y nuestros propios poderes se expandirán. Unos cálculos sencillos indican que podemos enviar información de una secuencia electromagnética a un convertidor biológico digital situado en Marte en sólo 4,3 minutos, en el momento de la aproximación máxima del planeta rojo, para proporcionar a una instalación de colonos vacunas, antibióticos o medicamentos personalizados. Asimismo si, por ejemplo, el vehículo Curiosity de la NASA que explora Marte estuviera equipado con un dispositivo de secuenciación del ADN, podría transmitir el código digital de un microbio marciano a la Tierra, donde podríamos recrear el organismo en el laboratorio.

Esta última aproximación a la búsqueda de vida extraterrestre se basa en dos supuestos importantes. Primero, que la vida marciana se fundamenta, como la de la Tierra, en el ADN. Pienso que es una suposición razonable, porque sabemos que la vida existe en la Tierra desde hace casi cuatro mil millones de años, y que la Tierra y Marte han intercambiado material continuamente. Los planetas y sus satélites del sistema solar interior (entre ellos la Tierra) han compartido materiales durante miles de millones de años, pues rocas y suelo procedentes de las sucesivas colisiones con asteroides y cometas han sido lanzados al espacio.[272] Los análisis químicos confirman que meteoritos encontrados en la Tierra tuvieron que haber sido aventados de la superficie del planeta rojo por el impacto de un asteroide. Las simulaciones sugieren que sólo el 4% del material eyectado desde Marte alcanza la Tierra, después de un viaje que puede durar hasta quince millones de años. Aun así, se ha estimado que la Tierra y Marte intercambian del orden de cien kilogramos de material al año, lo que hace probable que cada palada de tierra terrestre contenga trazas de suelo marciano. Por lo tanto, es probable que microbios terrestres viajaran hasta Marte y poblaran sus océanos hace mucho tiempo y que microbios marcianos sobrevivieran para prosperar en la Tierra.

Segundo, y más fundamental, es mi conjetura de que la vida existe realmente en otras partes del universo. Hay todavía muchas personas (a menudo religiosas) que creen que la vida en la Tierra es algo especial, o único, y que estamos solos en el cosmos. No soy una de ellas.

Los científicos tienen mucha confianza en que se demuestre que Marte contiene vida, o que ha contenido vida. Tanta confianza, de hecho, que tanto ellos como los medios tienen tendencia a ser algo impacientes cuando interpretan las pruebas procedentes del planeta rojo. En el capítulo 3 expliqué el furor que siguió a la publicación en 1996 de un artículo que detallaba la evidencia que había convencido a algunos científicos de la NASA de la existencia de vida microbiana en Marte. Las supuestas trazas de vida observadas en el meteorito en cuestión, conocido como ALH 84001,[273] no eran ni mucho menos las primeras señales ambiguas de este tipo. En 1989, un equipo dirigido por Colin Pillinger, de la Universidad Abierta, en Milton Keynes, Reino Unido, encontró material orgánico, típico del que dejan los restos de seres vivos, en otro meteorito marciano, EETA 79001,[274] aunque no llegaron a anunciar que hubieran descubierto vida en Marte. Otros han columbrado indicaciones confusas de vida después de reevaluar los datos acopiados por los vehículos Viking de la NASA, que realizaron las primeras medidas in situ centrándose en la detección de compuestos orgánicos cuando se posaron en el planeta rojo en 1976.[275]

A finales de 2012 hubo mucha especulación febril acerca de lo que había encontrado el Análisis de Muestras en Marte, o SAM, un instrumento del vehículo Curiosity cuando estudió granos de suelo de una acumulación de arena llamada Rocknest. Semanas antes, un científico del proyecto había despertado inadvertidamente las expectativas de una revelación importante cuando dijo a la National Public Radio que los datos serían «adecuados para los libros de historia».

El desengaño era palpable cuando, aquel diciembre, a los asistentes al congreso de la Unión Geofísica Americana, en San Francisco, los científicos instrumentales les dijeron que, efectivamente, había indicios de compuestos orgánicos, pero que se había de trabajar más para determinar si eran autóctonos de Marte.[276] Aunque estos datos revelan posibles indicios de vida marciana, necesitamos pruebas extraordinarias si es que tenemos que hacer afirmaciones extraordinarias. Estoy seguro de que en el pasado la vida medraba en Marte y bien pudiera ser que todavía exista hoy allí en ambientes subsuperficiales. Hay datos convincentes que sugieren que en la superficie del planeta fluyó agua líquida, incluidos posibles océanos,[277] y las arcillas que rodean Matijevic Hill indican que allí el agua pudo haber sido lo bastante pura para ser potable.[278] A finales de 2012 el Curiosity encontró señales de un antiguo cauce fluvial en el que antaño fluyó agua rápidamente.[279] En la actualidad, sin embargo, parece existir en estado sólido, en los casquetes de hielo polares y en forma de permafrost. Hay pruebas crecientes de que hay una cantidad sustancial de agua subsuperficial en Marte que está congelada y, aunque esto ya es especulativo, que hay agua líquida a mayor profundidad del planeta.[280] Se han hecho cálculos que estiman que puede encontrarse agua salobre a una profundidad de cuatro kilómetros y agua líquida pura a una profundidad de ocho kilómetros.[281] La subsuperficie de Marte contiene asimismo una cantidad sustancial de metano,[282] que también podría ser de origen biológico, aunque no podemos descartar que su origen fuera geológico, o una combinación de ambos.

Yo ya he estado implicado en la búsqueda para identificar vida subterránea. Uno de nuestros equipos en Synthetic Genomics, en colaboración con BP, pasó tres años estudiando la vida en pozos de metano de yacimientos de carbón en Colorado. Encontramos pruebas notables, en muestras de agua de 1,6 kilómetros de profundidad, de la misma densidad de microbios que la que se encuentra en el océano (un millón de células por mililitro). Sin embargo, los organismos subterráneos era mucho menos variados en términos de diversidad específica, muy probablemente debido a la falta de oxígeno (todas las células de ambientes subterráneos profundos son anaerobias) y a la radiación ultravioleta, los principales productores de mutaciones genéticas. Una de las consecuencias fascinantes de estas condiciones, entre ellas la baja tasa de evolución, fue nuestro descubrimiento de que las secuencias del genoma de uno de estos organismos correspondían estrechamente a las de un microbio aislado de un volcán en Italia. Aunque la diversidad de las especies subterráneas sigue siendo elevada, cuando consideramos una u otra clase de organismos hay sólo entre un 1 y un 3% de variación, mientras que en los océanos vemos variación de hasta el 50% en, por ejemplo, SAR11, el microbio fotosintético marino más abundante.

Lo que descubrimos en las profundidades del planeta fue una gama de extremófilos que son capaces de usar el dióxido de carbono y el hidrógeno presentes bajo tierra para producir metano de una manera similar a la de las células de Methanococcus jannaschii aisladas cerca de un «humero», una fumarola hidrotermal a 2600 metros de profundidad en el océano Pacífico. Cálculos sencillos indican que hay tanta biología y biomasa en la subsuperficie de nuestra Tierra como en todo el mundo visible de la superficie del planeta. Es probable que especies subterráneas hayan medrado allí durante miles de millones de años.

Si se acepta que el agua líquida es sinónimo de vida, Marte tuvo que estar habitado por organismos similares. Cada vez hay más pruebas de que Marte tuvo océanos hace tres mil millones de años, y de nuevo en fecha más reciente, quizá hace mil millones de años, cuando los casquetes de hielo polares se fundieron después del impacto de un meteorito. Los indicios aportados por los diversos vehículos y sondas lunares sugieren que, aunque antaño existieron en el planeta ambientes habitables, probablemente se desecaron hace varios miles de millones de años.

Los niveles de radiación son mucho más elevados en Marte que en la Tierra, porque la atmósfera es cien veces más delgada que la de nuestro planeta, y Marte no posee un campo magnético global. Como resultado, muchas más partículas cargadas rápidas alcanzan la superficie del planeta. Es improbable que la vida pueda resistir los niveles de radiación que allí se dan, aunque no imposible, porque en la Tierra existen organismos terrestres muy resistentes a la radiación, como Deinococcus radiodurans. Es más probable que la vida se refugiara bajo tierra, de modo que habrá que obtener muestras por debajo de un metro o más aproximadamente de suelo, donde los organismos se hallarían protegidos.

El objetivo de la búsqueda de vida marciana debería cambiar si se comprobara que no hay células vivas en la subsuperficie o en la subsuperficie profunda. (La vida podría medrar a mayor profundidad en Marte que en la Tierra, debido al gradiente de temperatura más moderado y a la superficie más fría). El siguiente paso sería investigar si el ADN se conservaba en el hielo, aunque hay un límite al tiempo que el ADN puede sobrevivir intacto. Un estudio realizado por Morten Erik Allentoft, de la Universidad de Copenhague, en Dinamarca, sugiere que el ADN tiene una vida media de medio milenio (521 años), lo que significa que pasados unos quinientos años se habrían roto alrededor de la mitad de los enlaces entre los nucleótidos de un soporte de una muestra de ADN, y pasados otros quinientos años aproximadamente la mitad de los enlaces restantes se habrían dañado asimismo, y así sucesivamente. Las pruebas actuales sugieren que el ADN tiene una vida máxima de alrededor de 1,5 millones de años cuando se mantiene a temperaturas de conservación ideales,[283] aunque es posible que las condiciones secas y frías de Marte pudieran haber permitido que durara más tiempo.

Pero, tal como indica el hecho de que los científicos todavía discuten acerca de la importancia de los datos de los Viking obtenidos en la década de 1970, la mejor esperanza que tenemos de detectar vida en Marte es recoger pruebas directas de la misma. Ya desde que el Apollo 11 volvió a la Tierra con las primeras muestras extraterrestres en forma de veinte kilogramos de rocas lunares, ha habido una esperanza ferviente de que se pudieran obtener muestras de suelo marciano para estudiarlas en la Tierra. El argumento ha sido que en la Tierra los científicos pueden llevar a cabo un análisis más completo y detallado de las muestras de lo que sería posible por medios robóticos en el mismo planeta. Mientras una misión tripulada a Marte sigue siendo una expectativa distante, podemos emplear máquinas. La Unión Soviética fue pionera en el uso de robots que volvían con muestras, notablemente con el Luna 16, que volvió con 101 gramos de material de la Luna. En 1975, los soviéticos habían planeado también el primer proyecto de retorno con muestras marcianas, una misión con un robot de veinte toneladas conocida como Mars 5NM, pero fue cancelada.

Desde entonces han llegado materiales extraterrestres procedentes de la misión Genesis, que pudo retornar a la Tierra con muestras de viento solar (aunque se estrelló en el desierto de Utah en 2004); la nave Stardust, que obtuvo muestras del cometa Wild 2 en 2006; y la sonda japonesa Hayabusa, que recolectó muestras después de contactar con el asteroide 25143 Itokawa (y posarse sobre el mismo). Sin embargo, estas misiones han estado plagadas de dificultades. Por ejemplo, la misión Fobos-Grunt de Rusia para volver con muestras de la luna marciana Fobos no dejó la órbita terrestre y se estrelló en el Pacífico Sur. La NASA hace tiempo que planeó una misión que retornara con muestras de Marte, pero todavía no ha conseguido la financiación para que la idea vaya mucho más allá del proyecto.[284]

Cualquier misión a Marte se enfrenta con extraordinarios desafíos técnicos. Si se consulta el registro de exploraciones espaciales se encontrará que el planeta rojo es el Triángulo de las Bermudas del sistema solar. Ha visto fracasar muchas misiones, desde el programa soviético Mars 1M de la década de 1960 (que los medios occidentales apodaron «Marsnik») hasta el malogrado Beagle 2, de Gran Bretaña, que se perdió después de abandonar su nave nodriza para ir saltando sobre la superficie marciana en 2003.[285] Un retorno exitoso con muestras significaría que la nave de la misión tendría que haber sido lanzada con éxito; que se hubiera posado con éxito en suelo marciano; que obtuviera una muestra de un lugar prometedor en el que hubiera habido agua, y de preferencia varios lugares; y después que retornara con estos especímenes a la Tierra. En un proyecto de este tipo, una misión para recolectar muestras de quinientos gramos de dos lugares distintos requeriría quince vehículos y naves espaciales diferentes y dos vehículos de lanzamiento, y tardaría unos tres años desde el lanzamiento al retorno de su preciosa carga a la Tierra.[286]

A todo lo largo del camino tendrían que tomarse medidas para asegurarse de que las muestras no se contaminaran con organismos terrestres, aunque es muy probable que ya hayamos infectado Marte con dichos organismos después de nuestras muchas misiones allí. Cualquier parte de la nave espacial de retorno que hubiera estado en contacto con los especímenes marcianos tendría que ser esterilizada para evitar comprometer los experimentos de detección de vida. Las máquinas secuenciadoras son en la actualidad tan sensibles que si un único microbio terrestre terminara en una muestra aportada desde Marte, es probable que malograra el experimento. La contaminación ha sido la maldición de muchos experimentos, ya sea en ciencia forense o en intentos para recuperar ADN antiguo.

Las preocupaciones acerca de la contaminación se dan en ambos sentidos. Tendrán que tomarse medidas para asegurar que ninguna posible forma de vida marciana no contamine la Tierra. (Tal como se describió anteriormente, es probable que lleguemos tarde unos mil millones de años para preocuparnos por eso, pues es posible que ya estén aquí). Una misión de aporte de muestras marcianas sería necesario que cumpliera requerimientos de protección planetaria más estrictos que los que se han seguido en cualquiera de las misiones realizadas hasta la fecha. El tratado sobre los principios que rigen las actividades de los estados en la exploración y el uso del espacio exterior, incluidos la Luna y otros cuerpos celestes (o tratado del espacio exterior) de 1967[287] indica en su artículo IX que «los estados partes llevarán a cabo estudios del espacio exterior, incluidos la Luna y otros cuerpos celestes, y realizarán su exploración de manera que eviten su contaminación perjudicial y también cambios adversos en el ambiente de la Tierra que resulten de la introducción de materia extraterrestre y, cuando sea necesario, adoptarán las medidas apropiadas a este propósito».

Aunque no existen datos científicos que respalden esta preocupación, algunos creen que hay buenas razones para ser cauto, basadas en parte, así lo creo, en el miedo a lo desconocido, cuyo mejor ejemplo es la moderna Mary Shelley, el malogrado Michael Crichton. El médico transformado en escritor de ciencia ficción era un gran narrador, cuyos libros eran amenos pero, al igual que Frankenstein, contenían asimismo temas fuertemente anticientíficos, con una mezcla de fantasía, violencia y justo castigo del tipo que se encuentra en los cuentos de hadas aleccionadores de los hermanos Grimm («Cenicienta», «Caperucita Roja», «Rapónchigo» y otros), que saca partido de los temores más profundos del público. En la clásica película de ciencia ficción de 1971 La amenaza de Andrómeda, un satélite militar se estrella en el desierto y, antes de que pueda ser recuperado, los habitantes de un pueblo cercano son diezmados por una epidemia letal, que resulta ser muy distinta a cualquier tipo de vida en la Tierra.[288] La ciencia moderna puede aplicarse para evitar la mayor parte de problemas potenciales de la llegada a la Tierra de muestras procedentes de cuerpos celestes distantes.

La última misión a Marte (el vehículo Curiosity, que se posó en el cráter Gale el 6 de agosto de 2012) porta un conjunto de instrumentos complejos, entre ellos un espectrómetro de rayos X por partículas alfa; un analizador de difracción por rayos X y un analizador de fluorescencia por rayos X; una fuente de neutrones pulsados y un detector para medir hidrógeno o hielo y agua; una estación de seguimiento ambiental; y una serie de instrumentos que puede distinguir entre un origen geoquímico y biológico y analizar moléculas orgánicas y gases, entre ellos las proporciones de isótopos de oxígeno y carbono en el dióxido de carbono y el metano procedente de muestras tanto atmosféricas como sólidas.

La mayoría de estos instrumentos son mucho más complejos que algunos secuenciadores modernos de ADN, como el fabricado por la compañía Life Technologies, que puede caber en un ordenador de sobremesa. Este secuenciador de «torrente de iones» emplea tecnología complementaria de semiconductores metal-óxido, semejantes a los que se encuentran en las cámaras digitales, para crear el pH-metro de estado sólido más pequeño del mundo para traducir la información química en información digital. Emplea chips semiconductores, no mucho mayores que un pulgar, con 165 a 660 millones de pozos, lo que permite realizar la secuenciación en paralelo. ADN de una sola hebra se enlaza por un extremo a minúsculas cuentas, que se distribuyen entre los pozos diminutos. A continuación los pozos se inundan con una solución que contiene cada uno de los cuatro nucleótidos y polimerasa del ADN. Si un nucleótido, por ejemplo una «A», se añade a una plantilla de ADN y después se incorpora a la hebra de ADN, se libera un único protón (ión hidrógeno), lo que provoca un cambio de pH en el pozo, que el chip detecta. El ordenador registra qué pozos tuvieron un cambio de pH y registra la letra «A». Este proceso puede repetirse una y otra vez para leer unos cuantos cientos de letras de código de ADN en cada uno de los cientos de millones de pozos. A diferencia de la mayoría de tecnologías de secuenciación del ADN, no se requiere una óptica para leer la señal, de modo que la técnica es robusta y no es afectada por el movimiento. La tecnología puede hacerse incluso más pequeña, lo que es práctico para misiones espaciales, en las que el peso y el tamaño de la carga son críticos. Aunque hay varios aspectos que deben superarse en relación a la adquisición de muestras, la extracción de ADN y la preparación para la secuenciación del ADN, ninguno de ellos representa dificultades insuperables.

No queda lejos el día en el que podamos enviar en una sonda una unidad controlada robóticamente de secuenciación del genoma a otros planetas para que lea la secuencia de ADN de cualquier vida microbiana que pueda existir allí, ya esté todavía viva o se halle conservada. Creo que será un desafío mucho mayor para la NASA o para grupos privados conseguir una perforadora adecuada que pueda extenderse a suficiente profundidad para alcanzar el nivel de agua líquida. La buena noticia es que una misión próxima podrá excavar unos pocos metros, que bien pudiera ser suficiente para detectar posibles señales de vida congelada.

No hace falta un gran salto para pensar que, si los microbios marcianos están basados en el ADN, y si podemos obtener secuencias genómicas de microbios en Marte y emitirlas de vuelta a la Tierra, podremos reconstruir el genoma. La versión sintética del genoma marciano podría emplearse entonces para recrear vida marciana para su estudio detallado sin tener que habérnoslas con la increíble logística de hacer que la muestra nos llegue realmente intacta. Podemos reconstruir los marcianos en un laboratorio P4[*] con traje espacial (es decir, un laboratorio de máxima contención), en lugar de arriesgarnos a que se zambullan en el océano o se estrellen en la Amazonia. Si este proceso puede funcionar desde Marte, entonces tendremos un nuevo medio de explorar el universo y los cientos de miles de Tierras y Supertierras descubiertas por el observatorio espacial Kepler. Está fuera de cuestión obtener pronto una secuencia de ellos con la tecnología de cohetes actual: los planetas que orbitan alrededor de la enana roja Gliese 581 se encuentran «solo» a veintidós años luz de distancia, unos 2 × 10¹⁴ kilómetros; pero sólo se tardarían veintidós años en conseguir que los datos enviados retornaran, y si en aquel sistema existe realmente vida avanzada, quizá ya ha estado emitiendo información de secuencias, de la misma manera que nosotros hemos hecho en los últimos años.

La capacidad de enviar equipo lógico de ADN en forma de luz tendrá toda clase de ramificaciones intrigantes. En la última década, después de que se secuenciara mi propio genoma, mi equipo lógico ha sido emitido en forma de ondas electromagnéticas, que transportan mi información genética mucho más allá de la Tierra mientras ondulan por el espacio. Cabalgando sobre estas ondas, mi vida se mueve ahora a la velocidad de la luz. Si acaso hay alguna forma de vida allá afuera capaz de dar sentido a las instrucciones de mi genoma no deja de ser otro pensamiento sorprendente que surge de esta pequeña pregunta que Schrödinger planteó hace medio siglo o más.

Cuando terminé mi conferencia en aquella cálida tarde dublinesa, recordé al auditorio el increíble viaje que la ciencia ha realizado desde que el propio Schrödinger había reflexionado acerca de la naturaleza de la vida en sus famosas conferencias. En los aproximadamente setenta años transcurridos, hemos progresado desde no saber la identidad de nuestro material genético hasta descubrir que el medio de su mensaje es el ADN, hasta descifrar el código genético, secuenciar genomas y ahora escribir genomas para crear nueva vida. Sólo he tratado por encima las oportunidades que ahora esperan como resultado del nuevo conocimiento y del nuevo poder que procede de la prueba mediante síntesis de que el ADN es el equipo lógico de la vida. Todavía estamos sobre la cresta de las poderosas olas que emitieron las conferencias de Schrödinger. Es difícil imaginar adónde nos llevarán en los próximos setenta años, pero sea a donde sea que se dirija esta nueva era de la biología, sé que el viaje será tan potenciador como extraordinario.

Agradecimientos

Al gran fisiólogo francés Claude Bernard (1813-1878) se debe la famosa frase «El arte es yo; la ciencia es nosotros». Esto es más cierto en la actualidad de lo que nunca lo fue antes. Durante las últimas décadas he tenido muchas aventuras en ciencia, y en todas ellas he confiado en los esfuerzos de muchas personas de talento. Me he podido beneficiar directamente de su sabiduría, ingenio y creatividad, e indirectamente de las contribuciones de grandes investigadores que hubo antes que ellos, cuando estudié por primera vez las proteínas, y posteriormente cuando leí, interpreté y rescribí el equipo lógico básico de la vida.

Aunque tuviera la mejor voluntad del mundo, las limitaciones de espacio, memoria y tiempo impiden que pueda hacer la lista de todos los que han contribuido, directa e indirectamente, a mis hazañas. No obstante, espero que este libro dé al menos una vislumbre de la gran empresa cooperativa a la que llamamos ciencia, pues proporciona atisbos de la parte dedicada a comprender los mecanismos más fundamentales de la vida misma.

Por la misma razón, este libro no hubiera sido posible sin la ayuda de otras muchas personas. De modo que espero que el lector me disculpe si destaco algunas de ellas. En primer lugar, mi esposa y desde hace mucho tiempo mi publicista y socia, Heather Kowalski, quien ha estado a mi lado durante muchos momentos turbulentos, desde épocas de extraordinaria satisfacción hasta otras de lamentable depresión. Por su increíble apoyo y aliento, le debo mi más sentida gratitud. Tengo que hacer especial mención de mis grandes colaboradores científicos, Ham Smith, Clyde Hutchison y Dan Gibson. Siempre puedo contar con ellos para que sean diligentes, creativos e ingeniosos en el laboratorio. Asimismo, Erling Norrby merece un agradecimiento especial por su amistad y por sus largas discusiones en el mar sobre la naturaleza de la vida. A la hora de leer las versiones iniciales de este manuscrito en concreto, todos han sido generosos con su tiempo y sus consejos. Quisiera también destacar a Lisa Berning y Michelle Tull por sus incansables esfuerzos a la hora de guiar mis pasos cada día.

Quisiera dar las gracias a mi agente, John Brockman, por sus consejos y amistad, y al editor Rick Kot, junto con sus capaces colegas de Viking: todos habíamos trabajado juntos en mi autobiografía, Una vida descodificada, y ha sido un placer repetir la experiencia.

De manera parecida, de nuevo Roger Highfield, como mi editor externo, me ha instigado y secundado; además de sus comentarios siempre adecuados, ha contribuido con investigación valiosa. A su vez, Roger ha gozado del asesoramiento de sus colegas del Museo de la Ciencia, de Londres (en especial Robert Bud, Peter Morris y Andrew Nahum), y ha verificado secciones con Peter Coveney, Masaru Tomita y Markus Covert.

Aunque ya hace algún tiempo que estaba trabajando en este proyecto, la chispa de inspiración que me ayudó a organizar mis pensamientos y notas en un libro la proporcionó el encuentro ¿Qué es la vida?, que tuvo lugar en 2012 en Dublín como parte del Euroscience Open Forum. Quisiera dar las gracias a Patrick Cunningham, Eamonn Cahill, Luke Drury, David McConnell, Brendan Loftus, Pauric Dempsey y a la Real Academia Irlandesa por darme la oportunidad de seguir la huella enorme de Schrödinger, lo que resultó ser a la vez un honor y un placer. No olvidaré cómo, en las primeras horas de la madrugada, después de mi conferencia, Luke O’Neill nos ofreció, a Heather, Erling, Roger y a mí, un improvisado concierto de piano en el hotel Clarence.

JOHN CRAIG VENTER (Salt Lake City, Utah, Estados Unidos; 14 de octubre de 1946) es un biólogo y empresario estadounidense. Fue el presidente fundador de Celera Genomics, haciéndose famoso al arrancar su propio Proyecto Genoma Humano en 1999, al margen del consorcio público, con propósitos comerciales y utilizando la técnica «shotgun sequencing».

Comenzó su carrera académica y universitaria en el colegio comunitario de San Mateo, California, tras alistarse en la Marina de los Estados Unidos en la Guerra de Vietnam y prestar servicios en un hospital. Al volver inició la carrera de medicina, pero cambió de especialidad y obtuvo la licenciatura en Bioquímica en 1972 y el doctorado en Farmacología en 1975, ambos por la Universidad de California, en San Diego. Después de trabajar en la Universidad de Buffalo de Nueva York, ingresó en el National Institutes of Health en 1984.

Mientras estaba en el NIH, Venter aprendió la técnica para identificar rápidamente gran parte de los ARN mensajeros presentes en una célula, y comenzó a utilizarlo para identificar velozmente genes del cerebro humano. Las secuencias que usaba son las conocidas como EST. En un controvertido proceso legal, Venter intentó patentarlas, pero perdió el caso.

Fue el presidente fundador de Celera Genomics, haciéndose famoso al arrancar su propio Proyecto Genoma Humano en 1999, al margen del consorcio público, con propósitos comerciales y utilizando la técnica shotgun sequencing. Celera usó el ADN de cinco individuos diferentes para generar la secuencia del genoma humano; hay sospechas de que uno de los 5 individuos teóricamente anónimos del proyecto fue el mismo Venter. A principios del 2002, Celera despidió de repente a Venter, después de quedar patente que vender los datos del genoma no sería rentable, mientras él hacía esfuerzos para oponerse a un cambio estratégico de dirección de la compañía.

Uno de sus logros fue descifrar por primera vez la secuencia completa de un organismo vivo: la bacteria Haemophilus influenzae.

Fundó The Institute for Genomic Research (TIGR) en 1992. Actualmente es el presidente del J. Craig Venter Institute, creado y fundado por el TIGR. En junio del 2005, cofundó Synthetic Genomics, una firma dedicada al uso de microorganismos modificados genéticamente para la producción de etanol e hidrógeno como combustibles alternativos.

Venter ha sido sujeto de varios artículos en Wired, The Economist y en la revista australiana de ciencia Cosmos en 2005.

En 2004 inició una navegación alrededor del mundo con su yate de lujo Sorcerer II que considera una actualización de los grandes viajes científicos de los siglos XVIII y XIX a bordo del HMS Beagle y del HMS Challenger. En el viaje capturó el ADN de los virus y bacterias en papel de filtro y lo envió para ser secuenciado y analizado en sus prefecturas de Rockville, Maryland. La esperanza es descubrir decenas, o incluso centenares de millones de genes nuevos, una inmensa cantidad de información sobre la biodiversidad de la Tierra. Asegura que de este modo será posible extrapolar estadísticamente la vida de la Tierra, poniendo todo lo que olvidó Darwin en contexto. Los microorganismos también pueden tener la clave para generar una casi infinita cantidad de energía, desarrollar poderosos fármacos y limpiar la contaminación producida por los humanos. El viaje también puede ser provechoso para responder preguntas sobre la microevolución y la supervivencia de las especies. El gobierno estadounidense está subvencionando la travesía a través del Departamento de Energía.

En octubre de 2007, Craig Venter consiguió crear un cromosoma artificial a partir de elementos químicos, como paso previo para la creación de la primera forma de vida artificial de la Tierra.

En julio de 2009 firmó un acuerdo con la empresa petrolera Exxon Mobil para conseguir producir hidrocarburos a partir de algas fotosintéticas. La idea es conseguir que el CO₂ de la atmósfera se convierta en combustible. Venter pone los conocimientos, Exxon el dinero: 600 M US$.

Notas

[1] Erwin Schrödinger. What Is Life? (Cambridge: Cambridge University Press, edición de 2012). [Hay version española: ¿Qué es la vida? (Barcelona: Círculo de lectores, 2009)]. <<

[2] Gracias, Patrick Cunningham, antiguo asesor científico principal del gobierno de Irlanda, por señalarme esto. <<

[3] Walter J. Moore. Schrödinger: Life and Thought (Cambridge: Cambridge University Press, 1989), pág. 66. <<

[4] Nikolai V. Timoféeff-Ressovsky, Karl G. Zimmer y Max Delbrück. «Über die Natur der Genmutation und der Genstruktur» [Sobre la naturaleza de la mutación del gen y de la estructura del gen]. Nachrichten von der Gesellschaft der Wissenschaften zu Göttingen, Mathematisch-physikalische Klasse, Fachgruppe VI, Biologie, Neue Folge 1, n.º 13 (1935), págs. 189-245. <<

[5] Richard Dawkins. River Out of Eden (Nueva York: Basic Books, 1995). [Hay version española: El río del edén (Madrid: Debate, 2000)]. <<

[6] Motoo Kimura. «Natural selection as the process of accumulating genetic information in adaptive evolution». Genetical Research 2 (1961), págs. 127-40. <<

[7] Sydney Brenner. «Life’s code script». Nature 482 (23 febrero 2012), pág. 461. <<

[8] W. J. Kress y D. L. Erickson. «ADN barcodes: Genes, genomics, and bioinformatics». Proceedings of the National Academy of Sciences 105, n.º 8 (2008), págs. 2761-62. <<

[9] Lulu Qian y Erik Winfree. «Scaling up digital circuit computation with ADN strand displacement cascades». Science 332, n.º 6034 (3 junio 2011), págs. 1196-201. <<

[10] George M. Church, Yuan Gao y Sriram Kosuri. «Next-generation digital information storage in ADN». Science 337, n.º 6102 (28 septiembre 2012), pág. 1628. <<

[11] Accesible en http://edge.org/conversation/what-is-life. <<

[12] Steven Benner. Life, the Universe… and the Scientific Method (Gainesville, FL: Foundation for Applied Molecular Evolution, 2009), pág. 45. <<

[13] Jacques Loeb. The Dynamics of Living Matter (Nueva York: Columbia University Press, 1906). Accesible en línea en http://archive.org. <<

[14] Rebecca Lemov. World as Laboratory: Experiments with Mice, Mazes, and Men (Nueva York: Hill and Wang, 2005). <<

[15] El libro se publicó en 1627, un año después de la muerte de Bacon. <<

[16] En la versión original se lee «Solomon». <<

[17] Francis Bacon. The New Atlantis (1627). Accesible en línea en oregonstate.edu. [Hay version española: Nueva Atlántida (Madrid: Akal, 2006)]. <<

[18] Félix Alexandre Le Dantec. The Nature and Origin of Life, trad. Stoddard Dewey (Nueva York: A. S. Barnes, 1906). <<

[19] Algunos describen a Berzelius como un vitalista, pero, tal como señala John H. Brooke, dicha afirmación ha de tomarse con cuidado. John H. Brooke. «Wöhler’s urea and its vital force: A verdict from the chemists». Ambix 15 (1968), págs. 84-114. <<

[20] Citas de Johannes Buttner, ed. The Life and Work of Friedrich Wöhler (1800-1882), vol. 2., edición Lewicki-Buttner, ed. Robin Keen (Nordhausen: T. Bautz, 2005). Edición digital. <<

[21] «… denn ich kann, so zu sagen, mein chemisches Wasser nicht halten und muß Ihnen sagen, daß ich Harnstoff machen kann, ohne dazu Nieren oder überhaupt ein Thier, sey es Mensch oder Hund, nöthig zu haben». Otto Wallach, ed. Briefwechsel zwischen J. Berzelius und F. Wöhler, vol. 1 (Leipzig: Engelmann, 1901), pág. 206. <<

[22] Buttner, The Life and Work of Friedrich Wöhler (1800-1882). <<

[23] Texto accesible en línea en www.biodiversitylibrary.org. <<

[24] Peter J. Ramberg. «The death of vitalism and the birth of organic chemistry: Wöhler’s urea synthesis and the disciplinary identity of organic chemistry». Ambix 47, n.º 3 (noviembre 2000), pág. 174. <<

[25] Hermann Kolbe. Lehrbuch der organischen Chemie (1854). Accesible en línea en archive.org. <<

[26] «Friedrich Wöhler obituary». Scientific American Supplement, n.º 362 (diciembre, 1882). Texto accesible en línea en www.fullbooks.com. <<

[27] Brooke, «Wöhler’s urea and its vital force». <<

[28] Ibid. <<

[29] John Waller. Fabulous Science: Fact and Fiction in the History of Scientific Discovery (Oxford: Oxford University Press, 2010), pág. 18. <<

[30] Le Dantec, The Nature and Origin of Life. <<

[31] A. M. Turing. «The chemical basis of morphogenesis». Philosophical Transactions of the Royal Society of London B 237 (1952), págs. 37-72. <<

[32] Jonathan D. Moreno. «The First Scientist to “Play God” Was Not Craig Venter». Science Progress. http://scienceprogress.org/2010/05/synbio-ethics/. <<

[33] George Dyson. Turing’s Cathedral: The Origins of the Digital Universe (Londres: Allen Lane, 2012), pág. 284. <<

[34] Schrödinger, What Is Life?, págs. 20-21. <<

[35] Brenner, «Life’s code script». <<

[36] J. D. Watson y F. H. Crick. «Molecular structure of nucleic acids: A structure for deoxyribose nucleic acid». Nature 171, n.º 4356 (25 abril 1953), págs. 737-38. <<

[37] A. M. Turing. «Computing machinery and intelligence». Mind 59, n.º 236 (octubre 1950), págs. 433-60. Accesible en línea en www.loebner.net. <<

[38] Ibid. <<

[39] Mark A. Bedau. «Artificial life: Organization, adaptation and complexity from the bottom up». Trends in Cognitive Sciences 7, n.º 11 (noviembre 2003), págs. 505-512.Accesible en línea en people.reed.edu [PDF]. <<

[40] Dyson, Turing’s Cathedral, pág. 3. <<

[41] George Dyson. «Darwin Among the Machines; or, the Origins of [Artificial] Life». Edge. www.edge.org. <<

[42] Véase Charles Ofria y Claus O. Wilke. «Avida: A software platform for research in computational evolutionary biology». Artificial Life 10, n.º 2 (primavera 2004), págs. 191-229. doi:10.1162/106454604773563612. <<

[43] Dyson, Turing’s Cathedral, pág. 336. <<

[44] George Dyson. «A Universe of Self-Replicating Code». Edge, 26 marzo2012.edge.org. <<

[45] Dyson, Turing’s Cathedral, pág. 233. <<

[46] O. T. Avery. Carta citada por R. D. Hotchkiss, «Gene, transforming principle, and ADN». En J. Cairns, G. S. Stent y J. D. Watson, eds. Phage and the Origins of Molecular Biology (Cold Spring Harbor, NY: Cold Spring Harbor Laboratory Press, 1966). <<

[47] Erasmus Darwin. Zoonomia; or the Laws of Organic Life (1794). Accesible en línea en books.google.co.uk. <<

[48] O. T. Avery, Colin M. MacLeod y Maclyn McCarty. «Studies on the chemical nature of the substance-inducing transformation of pneumococcal types: Induction of transformation by a desoxyribonucleic acid fraction isolated from pneumococcus type III». Journal of Experimental Medicine 79 (enero 1944), págs. 137-58. <<

[49] Jacob Stegenga. «The chemical characterization of the gene: Vicissitudes of evidential assessment hist». History and Philosophy of the Life Sciences 33 (2011), págs. 105-27. <<

[50] F. Sanger. «The arrangement of amino acids in proteins». Advances in Protein Chemistry 7 (1952), págs. 1-66. <<

[51] Antony O. W. Stretton. «The first sequence: Fred Sanger and insulin». Genetics 162, n.º 2 (1 octubre 2002), págs. 527-32. <<

[52] F. Sanger. «Sequences, sequences, and sequences». Annual Review of Biochemistry 57 (1988), pág. 1-28. <<

[53] A. D. Hershey y M. Chase. «Independent functions of viral protein and nucleic acid in growth of bacteriophage». Journal of General Physiology 36 (1952), págs. 39-56. <<

[54] La foto 51 tomada por Franklin forma ahora parte de la colección de Historia de la Ciencia del Venter Institute. <<

[55] Watson y Crick, «Molecular structure of nucleic acids,» págs. 737-38. <<

[56] oralhistories.library.caltech.edu [PDF]. <<

[57] Erling Norrby. Nobel Prizes and Life Sciences (Singapur: World Scientific Publishing, 2010). <<

[58] D. A. Jackson, R. H. Symons y P. Berg. «Biochemical method for inserting new genetic information into ADN of simian virus 40: Circular SV40 ADN molecules containing lambda phage genes and the galactose operon of Escherichia coli». Proceedings of the National Academy of Sciences 69, n.º 10 (1972), págs. 2904-9. <<

[59] R. Jaenisch y B. Mintz. «Simian Virus 40 ADN sequences in ADN of healthy adult mice derived from preimplantation blastocysts injected with viral ADN». Proceedings of the National Academy of Sciences 71, n.º 4 (1974), págs. 1250-54. <<

[60] Joshua Lederberg. «ADN splicing: Will fear rob us of its benefits?». Prism 3 (noviembre 1975), págs. 33-37. <<

[61] Robert Hooke. Micrographia (1665). <<

[62] Ute Diechmann. «“Molecular” versus “colloidal”: Controversies in biology and biochemistry, 1900-1940». Bulletin for the History of Chemistry 32, n.º 2 (2007), págs. 105-118. Accesible en línea en www.scs.illinois [PDF]. <<

[63] Bruce Alberts. «The cell as a collection of protein machines: Preparing the next generation of molecular biologists». Cell 92 (6 febrero 1998), pág. 291. <<

[64] Marco Piccolino. «Biological machines: From mills to molecules». Nature Reviews: Molecular Cell Biology 1 (noviembre 2000), págs. 149-52. <<

[65] Gregory S. Engel, Tessa R. Calhoun, Elizabeth L. Read, Tae-Kyu Ahn, Tomao Mancal, Yuan-Chung Cheng, Robert E. Blankenship y Graham R. Fleming. «Evidence for wavelike energy transfer through quantum coherence in photosynthetic systems». Nature 446 (12 abril 2007), págs. 782-86. <<

[66] Graham R. Fleming, Gregory D. Scholes y Yuan-Chung Cheng. «Quantum effects in biology». Procedia Chemistry 3, n.º 1 (2011), págs. 38-57. Accesible en línea en www.sciencedirect.com. <<

[67] M. A. Martin-Delgado. «On quantum effects in a theory of biological evolution». Scientific Reports 2 (12 marzo 2012), artículo 302. <<

[68] Joachim Frank y Rajendra Kumar Agrawal. «A ratchet-like intersubunit reorganization of the ribosome during translocation». Nature 406 (20 julio 2000), págs. 318-22. <<

[69] Un angstrom tiene aproximadamente la longitud de un átomo; hay diez mil millones en un metro. <<

[70] Véase library.cshl.edu. <<

[71] C. Napoli, C. Lemieux y R. Jorgensen. «Introduction of a chimeric chalcone synthase gene into petunia results in reversible co-suppression of homologous genes in trans». Plant Cell 2, n.º 4 (1990), págs. 279-89. <<

[72] E. Eden, N. Geva-Zatorsky, I. Issaeva, A. Cohen, E. Dekel, T. Danon, L. Cohen, A. Mayo y U. Alon. «Proteome half-life dynamics in living human cells». Science 331, n.º 6018 (11 febrero 2011), págs. 764-68. <<

[73] El vídeo del plegado de las proteínas puede verse en www.youtube.com. Véase también www.ks.uiuc.edu. <<

[74] Fei Sun, Zhibao Mi, Steven B. Condliffe, Carol A. Bertrand, Xiaoyan Gong, Xiaoli Lu, Ruilin Zhang, Joseph D. Latoche, Joseph M. Pilewski, Paul D. Robbins y Raymond A. Frizzell. «Chaperone displacement from mutant cystic fibrosis transmembrane conductance regulator restores its function in human airway epithelia». FASEB Journal 22, n.º 9 (2 septiembre 2008), págs. 3255-63. <<

[75] Varshavsky Alexander. «The N-end rule pathway of protein degradation». Genes to Cells 2, n.º 1 (1997), págs. 13-28. <<

[76] George Oster y Hongyun Wang. «How Protein Motors Convert Chemical Energy into Mechanical Work». En: M. Schliwa, ed., Molecular Motors (Weinheim, Germany: Wiley-VCH, 2003). Accesible en línea en users.soe.ucsc.edu [PDF]. <<

[77] Ibid. <<

[78] Sydney Brenner. «Biochemistry Strikes Back». En: Jan Witkowski, ed. The Inside Story: ADN to ARN to Protein (Cold Spring Harbor, NY: Cold Spring Harbor Laboratory Press, 2005), pág. 367. <<

[79] Walter Gilbert y Allan Maxam. «The nucleotide sequence of the lac operator». Proceedings of the National Academy of Sciences 70, n.º 12, parte 1 (1973), págs. 3581-84. <<

[80] R. W. Holley, G. A. Everett, J. T. Madison y A. Zamir. «Nucleotide sequences in the yeast alanine transfer ribonucleic acid». Journal of Biological Chemistry 240, n.º 5 (mayo 1965), págs. 2122-28. <<

[81] G. G. Brownlee, F. Sanger y B. G. Barrell. «Nucleotide sequence of 5S-ribosomal ARN from Escherichia coli». Nature 215, n.º 5102 (1967), págs. 735-36. <<

[82] F. Sanger, G. M. Air, B. G. Barrell, N. L. Brown, A. R. Coulson, C. A. Fiddes, C. A. Hutchinson, P. M. Slocombe et al. «Nucleotide sequence of bacteriophage φX174 ADN». Nature 265, n.º 5596 (1977), págs. 687-95. <<

[83] oralhistories.library.caltech.edu. <<

[84] J. Craig Venter. A Life Decoded: My Genome: My Life (Nueva York: Viking, 2007). [Hay version española: La vida descodificada (Pozuelo de Alarcón: Espasa, 2008)]. <<

[85] Frederick Sanger, Discurso Nobel, 8 diciembre 1980. <<

[86] F. Z. Chung, K. U. Lentes, J. Gocayne, M. Fitzgerald, D. Robinson, A. R. Kerlavage, C. M. Fraser y J. C. Venter. «Cloning and sequence analysis of the human brain beta-adrenergic receptor: Evolutionary relationship to rodent and avian beta-receptors and porcine muscarinic receptors». FEBS Letters 211, n.º 2 (26 enero 1987), págs. 200-206. <<

[87] Lloyd M. Smith, Jane Z. Sanders, Robert J. Kaiser, Peter Hughes, Chris Dodd, Charles R. Connell, Cheryl Heiner, Stephen B. H. Kent y Leroy E. Hood. «Fluorescence detection in automated ADN sequence analysis». Nature 321 (12 junio 1986), págs. 674-79. <<

[88] M. D. Adams, J. M. Kelley, J. D. Gocayne, M. Dubnick, M. H. Polymeropoulos, H. Xiao, C. R. Merril, A. Wu, B. Olde, R. F. Moreno et al. «Complementary ADN sequencing: Expressed sequence tags and human genome project». Science 252 (1991), págs. 1651-56. <<

[89] Venter, La vida descodificada. <<

[90] Ibid. <<

[91] Ibid. <<

[92] C. M. Fraser, J. D. Gocayne, O. White, M. D. Adams, R. A. Clayton, R. Fleischmann, C. J. Bult, A. R. Kerlavage, G. Sutton, J. M. Kelley, J. L. Fritchman, J. F. Weidman, K. V. Small, M. Sandusky, J. Fuhrmann, D. Nguyen, T. R. Utterback, D. M. Saudek, C. A. Phillips, J. M. Merrick, J. Tomb, B. A. Dougherty, K. F. Bott, P. Hu, T. S. Lucier, S. N. Peterson, H. O. Smith, C. A. Hutchison y J. C. Venter. «The minimal gene complement of Mycoplasma genitalium». Science 270 (1995), págs. 397-403. <<

[93] M. G. Lee y P. Nurse. «Complementation used to clone a human homologue of the fission yeast cell cycle control gene cdc2». Nature 327 (1987), págs. 31-35. <<

[94] Eugene V. Koonin, Arcady R. Mushegian y Kenneth E. Rudd. «Sequencing and analysis of bacterial genomes». Current Biology 6, n.º 4 (1996), págs. 404-16. <<

[95] Carl R. Woese y George E. Fox. «Phylogenetic structure of the prokaryotic domain: The primary kingdoms». Proceedings of the National Academy of Sciences 74, n.º 11 (1977), pág. 5088-90. <<

[96] C. J. Bult, O. White, G. J. Olsen, L. Zhou, R. D. Fleischmann, G. G. Sutton, J. A. Blake, L. M. FitzGerald, R. A. Clayton, J. D. Gocayne, A. R. Kerlavage, B. A. Dougherty, J. F. Tomb, M. D. Adams, C. I. Reich, R. Overbeek, E. F. Kirkness, K. G. Weinstock, J. M. Merrick, A. Glodek, J. L. Scott, S. M. Geoghagen, J. F. Weidman, J. L. Fuhrmann, D. Nguyen, T. R. Utterback, J. M. Kelley, J. D. Peterson, P. W. Sadow, M. C. Hanna, M. D. Cotton, K. M. Roberts, M. A. Hurst, B. P. Kaine, M. Borodovsky, H. P. Klenk, C. M. Fraser, H. O. Smith, C. R. Woese y J. C. Venter. «Complete genome sequence of the methanogenic archaeon, Methanococcus jannaschii». Science 372 (1996), págs. 1058-73. <<

[97] Venter, La vida descodificada. <<

[98] Simonetta Gribaldo, Anthony M. Poole, Vincent Daubin, Patrick Forterre y Celine Brochier-Armanet. «The origin of eukaryotes and their relationship with the Archaea: Are we at a phylogenomic impasse?». Nature Reviews: Microbiology 8 (octubre 2010), págs. 743-52. doi:10.1038/nrmicro2426. <<

[99] D. Raoult, M. Drancourt, S. Azza et al. «Nanobacteria are mineralo fetuin complexes». PLOS Pathogens 4, n.º 2 (febrero 2008): e41. J. M. Garcia-Ruiz, E. Melero-García y S. T. Hyde. «Morphogenesis of self-assembled nanocrystalline materials of barium carbonate and silica». Science 323, n.º 5912 (enero 2009), págs. 362-65. <<

[100] J.-F. Tomb, O. White, A. R. Kerlavage, R. A. Clayton, G. G. Sutton, R. D. Fleischmann, K. A. Ketchum, H.-P. Klenk, S. Gill, B. A. Dougherty, K. Nelson, J. Quackenbush, L. Zhou, E. F. Kirkness, S. Peterson, B. Loftus, D. Richardson, R. Dodson, H. G. Khalak, A. Glodek, K. McKenney, L. M. Fitzgerald, N. Lee, M. D. Adams, E. K. Hickey, D. E. Berg, J. D. Gocayne, T. R. Utterback, J. D. Peterson, J. M. Kelley, M. D. Cotton, J. M. Weidman, C. Fujii, C. Bowman, L. Whatthey, E. Wallin, W. S. Hayes, M. Borodovsky, P. D. Karp, H. O. Smith, C. M. Fraser y J. C. Venter. «The complete genome sequence of the gastric pathogen Helicobacter pylori». Nature 388 (1997), págs. 539-47. <<

[101] Véase www.nobelprize.org. <<

[102] H. P. Klenk, R. A. Clayton, J. F. Tomb, O. White, K. E. Nelson, K. A. Ketchum, R. J. Dodson, M. Gwinn, E. K. Hickey, J. D. Peterson, D. L. Richardson, A. R. Kerlavage, D. E. Graham, N. C. Kyrpides, R. D. Fleischmann, J. Quackenbush, N. H. Lee, G. G. Sutton, S. Gill, E. F. Kirkness, B. A. Dougherty, K. McKenney, M. D. Adams, B. Loftus, S. Peterson, C. I. Reich, L. K. McNeil, J. H. Badger, A. Glodek, L. Zhou, R. Overbeek, J. D. Gocayne, J. F. Weidman, L. McDonald, T. Utterback, M. D. Cotton, T. Spriggs, P. Artiach, B. P. Kaine, S. M. Sykes, P. W. Sadow, K. P. D’Andrea, C. Bowman, C. Fujii, S. A. Garland, T. M. Mason, G. J. Olsen, C. M. Fraser, H. O. Smith, C. R. Woese y J. C. Venter. «The complete genome sequence of the hyperthermophilic, sulphate-reducing archaeon Archaeoglobus fulgidus». Nature 390 (1997), págs. 364-70. <<

[103] A. Goffeau, B. G. Barrell, H. Bussey, R. W. Davis, B. Dujon, H. Feldmann, F. Galibert, J. D. Hoheisel, C. Jacq, M. Johnston, E. J. Louis, H. W. Mewes, Y. Murakami, P. Philippsen, H. Tettelin y S. G. Oliver. «Life with 6000 genes». Science 274, n.º 5287 (1996), págs. 546, 563-67. <<

[104] Véase www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/1983/press.html. <<

[105] Texto accesible en www.presidency.ucsb.edu. <<

[106] Sinsheimer: «Los dos virus bacterianos más pequeños que se pueden encontrar en la literatura eran los llamados S13, que había sido descubierto en Inglaterra, y phi X 174, que había sido descubierto en Francia. Y se puede preguntar: “Bien, ¿y cómo fueron descubiertos?”. Bueno, la gente estaba en cierto modo categorizando los virus. Tomaban aguas negras de las alcantarillas de París y buscaban todos los virus que podían encontrar y sobre qué patrones, o células, crecerían, y qué aspecto tenían las placas. El nombre phi X 174 significa que fue el virus número 174 en la décima serie de fagos que obtuvieron; eso es todo. No hay ningún otro significado. Este fue el décimo conjunto de experimentos que hicieron; X significaba realmente diez». oralhistories.library.caltech.edu/. <<

[107] Texto accesible en www.presidency.ucsb.edu. <<

[108] «Creating Life in the Test Tube». Arthur Kornberg Papers, 1959-1970. National Library of Medicine. Referencias a la síntesis de ADN de Kornberg: «Closer to Synthetic Life». Time, 22 diciembre, 1967, pág. 66; «Viable Synthetic ADN». Science News, 30 diciembre, 1967, págs. 629-30. <<

[109] S. Nagata, H. Taira, A. Hall, L. Johnsrud, M. Streuli, J. Ecsödi et al. «Synthesis in E. coli of a polypeptide with human leukocyte interferon activity». Nature 284 (1980), págs. 316-20. <<

[110] M. A. Billeter, J. E. Dahlberg, H. M. Goodman, J. Hindley y C. Weissmann. «Sequence of the first 175 nucleotides from the 5 terminus of Qbeta ARN synthesized in vitro». Nature 224 (1969), págs. 1083-86. <<

[111] Charles Weissmann. «End of the road». Prion 6, n.º 2 (1 abril 2012), págs. 97-104. doi:10.4161/pri.19778. <<

[112] T. Taniguchi, M. Palmieri y C. Weissmann. «QB ADN-containing hybrid plasmids giving rise to QB phage formation in the bacterial host». Nature 274 (1978), págs. 223-28. <<

[113] V. R. Racaniello y D. Baltimore. «Molecular cloning of poliovirus cADN and determination of the complete nucleotide sequence of the viral genome». Proceedings of the National Academy of Sciences 78 (1981), págs. 4887-91. <<

[114] Véase la nota de pie de página en Keril J. Blight, Alexander A. Kolykhalov y Charles M. Rice. «Efficient initiation of HCV ARN replication in cell culture». Science 290, n.º 5498 (8 diciembre 2000), págs. 1972-74. <<

[115] Eckard Wimmer, Steffen Mueller, Terrence M. Tumpey y Jeffery K. Taubenberger. «Synthetic viruses: A new opportunity to understand and prevent viral disease». Nature Biotechnology 27, n.º 12 (diciembre 2009), pág. 1163. <<

[116] J. Craig Venter, Karin Remington, John F. Heidelberg, Aaron L. Halpern, Doug Rusch, Jonathan A. Eisen, Dongying Wu, Ian Paulsen, Karen E. Nelson, William Nelson, Derrick E. Fouts, Samuel Levy, Anthony H. Knap, Michael W. Lomas, Ken Nealson, Owen White, Jeremy Peterson, Jeff Hoffman, Rachel Parsons, Holly Baden-Tillson, Cynthia Pfannkoch, YuHui Rogers y Hamilton O. Smith. «Environmental genome shotgun sequencing of the Sargasso Sea». Science 304, n.º 5667 (2 abril 2004), págs. 66-74. <<

[117] oralhistories.library.caltech.edu.[PDF]. <<

[118] Walter Fiers y Robert L. Sinsheimer. «The structure of the ADN of bacteriophage [[phi]]X174, III: Ultracentrifugal evidence for a ring structure». Journal of Molecular Biology 5, n.º 4 (octubre 1962), págs. 424-434. <<

[119] Jeronimo Cello, Aniko V. Paul y Eckard Wimmer. «Chemical synthesis of poliovirus cADN: Generation of infectious virus in the absence of natural template». Science 297, n.º 5583 (9 agosto 2002), págs. 1016-18. doi:10.1126/science.1072266. <<

[120] Véase www.fbi.gov. <<

[121] Véase www.umass.edu. <<

[122] www.who.int. <<

[123] Mildred K. Cho, David Magnus, Arthur L. Caplan, Daniel McGee y el Grupo de Ética Genómica. «Ethical considerations in synthesizing a minimal genome». Science 286, n.º 5447 (10 diciembre 1999), págs. 2087-90. <<

[124] George Church y Ed Regis. Regenesis: How Synthetic Biology Will Reinvent Nature and Ourselves (Nueva York: Basic Books, 2012), pág. 9. <<

[125] Cho et al., «Ethical Considerations in Synthesizing a Minimal Genome». <<

[126] Kenneth I. Berns, Arturo Casadevall, Murray L. Cohen, Susan A. Ehrlich, Lynn W. Enquist, J. Patrick Fitch, David R. Franz, Claire M. FraserLiggett, Christine M. Grant, Michael J. Imperiale, Joseph Kanabrocki, Paul S. Keim, Stanley M. Lemon, Stuart B. Levy, John R. Lumpkin, Jeffery F. Miller, Randall Murch, Mark E. Nance, Michael T. Osterholm, David A. Relman, James A. Roth y Anne K. Vidaver. «Policy: Adaptations of avian flu virus are a cause for concern». Nature 482 (9 febrero 2012), págs. 153154. doi:10.1038/482153a. <<

[127] Samuel Butler. Erewhon (1872), págs. 318-19. [Hay versión española: Erewhon (Tres Cantos: Akal, 2012)]. <<

[128] Mirel, o polihidroxibutirato. <<

[129] Véase www.scarabgenomics.com/. <<

[130] Farren J. Isaacs, Peter A. Carr, Harris H. Wang, Marc J. Lajoie, Bram Sterling, Laurens Kraal, Andrew C. Tolonen, Tara A. Gianoulis, Daniel B. Goodman, Nikos B. Reppas, Christopher J. Emig, Duhee Bang, Samuel J. Hwang, Michael C. Jewett, Joseph M. Jacobson y George M. Church. «Precise manipulation of chromosomes in vivo enables genome-wide codon replacement». Science 333, n.º 6040 (15 julio 2011), págs. 348-53. <<

[131] Tae Seok Moon, Chunbo Lou, Alvin Tamsir, Brynne C. Stanton y Christopher A. Voigt. «Genetic programs constructed from layered logic gates in single cells». Nature 491 (8 noviembre 2012), págs. 249-53. <<

[132] Piro Siuti, John Yazbek y Timothy K. Lu. «Synthetic circuits integrating logic and memory in living cells». Nature Biotechnology 31 (2013), págs. 448-452. doi:10.1038/nbt.2510. <<

[133] S. Wuchty, B. F. Jones y B. Uzzi. «The increasing dominance of teams in production of knowledge». Science 316, n.º 5827 (2007), págs. 1036-39. <<

[134] Kira J. Weissman y Peter F. Leadlay. «Combinatorial biosynthesis of reduced polyketides». Nature Reviews: Microbiology 3 (diciembre 2005), págs. 925-36. <<

[135] Richard E. Green, Johannes Krause, Adrian W. Briggs, Tomislav Maricic, Udo Stenzel, Martin Kircher, Nick Patterson, Heng Li, Weiwei Zhai, Markus Hsi-Yang Fritz, Nancy F. Hansen, Eric Y. Durand, Anna-Sapfo Malaspinas, Jeffrey D. Jensen, Tomas Marques-Bonet, Can Alkan, Kay Prufer, Matthias Meyer, Hernan A. Burbano, Jeffrey M. Good, Rigo Schultz, Ayinuer Aximu-Petri, Anne Butthof, Barbara Hober, Barbara Hoffner, Madlen Siegemund, Antje Weihmann, Chad Nusbaum, Eric S. Lander, Carsten Russ, Nathaniel Novod, Jason Affourtit, Michael Egholm, Christine Verna, Pavao Rudan, Dejana Brajkovic, Zeljko Kucan, Ivan Guoic, Vladimir B. Doronichev, Liubov V. Golovanova, Carles Lalueza-Fox, Marco de la Rasilla, Javier Fortea, Antonio Rosas, Ralf W. Schmitz, Philip L. F. Johnson, Evan E. Eichler, Daniel Falush, Ewan Birney, James C. Mullikin, Montgomery Slatkin, Rasmus Nielsen, Janet Kelso, Michael Lachmann, David Reich y Svante Pääbo. «A draft sequence of the Neandertal genome». Science 328, n.º 5979 (7 mayo 2010), págs. 710-22. <<

[136] Véase mammoth.psu.edu. <<

[137] Church y Regis, Regenesis, pág. 11. <<

[138] O. White, J. A. Eisen, J. F. Heidelberg, E. K. Hickey, J. D. Peterson, R. J. Dodson, D. H. Haft, M. L. Gwinn, W. C. Nelson, D. L. Richardson, K. S. Moffat, H. Qin, L. Jiang, W. Pamphile, M. Crosby, M. Shen, J. J. Vamathevan, P. Lam, L. McDonald, T. Utterback, C. Zalewski, K. S. Makarova, L. Aravind, M. J. Daly, K. W. Minton, R. D. Fleischmann, K. A. Ketchum, K. E. Nelson, S. Salzberg, H. O. Smith, J. C. Venter y C. M. Fraser. «Complete genome sequencing of the radioresistant bacterium, Deinococcus radiodurans R1». Science 286, n.º 5444 (19 noviembre 1999), págs. 1571-77. <<

[139] J. C. Venter y C. Yung, eds. Target-Size Analysis of Membrane Proteins (Nueva York: Alan R. Liss, 1987). <<

[140] Mitsuhiro Itaya, Kenji Tsuge, Maki Koizumi y Kyoko Fujita. «Combining two genomes in one cell: Stable cloning of the Synechocystis PCC6803 genome in the Bacillus subtilis 168 genome». Proceedings of the National Academy of Sciences 102, n.º 44 (2005), págs. 15971-76. doi:10.1073/pnas.0503868102. <<

[141] V. Larionov, N. Kouprina, J. Graves, X. N. Chen, J. R. Korenberg y M. A. Resnick. «Specific cloning of human ADN as yeast artificial chromosomes by transformation-associated recombination». Proceedings of the National Academy of Sciences 93, n.º 1 (1996), págs. 491-96. <<

[142] Thomas Kuhn. The Structure of Scientific Revolutions (Chicago: University of Chicago Press, 1962), págs. 84-85. [Hay version española: La estructura de las revoluciones científicas (México: Fondo de Cultura Económica, 1987)]. <<

[143] C. Lartigue, J. I. Glass, N. Alperovich, R. Pieper, P. P. Parmar, C. A. Hutchison III, H. O. Smith y J. C. Venter. «Genome transplantation in bacteria: Changing one species to another». Science 317, n.º 5838 (3 agosto 2007), págs. 632-38. <<

[144] I. Wilmut, A. E. Schnieke, J. McWhir, A. J. Kind y K. H. Campbell. «Viable offspring derived from fetal and adult mammalian cells». Nature 385, n.º 6619 (1997), págs. 810-13. <<

[145] I. Wilmut y R. Highfield. After Dolly: The Uses and Misuses of Human Cloning (Nueva York: Norton, 2006). <<

[146] S. M. Willadsen. «Nuclear transplantation in sheep embryos». Nature 320 (6 marzo 1986), págs. 63-65. Accesible en línea en www.nature.com. <<

[147] H. Spemann. Embryonic Development and Induction (New Haven, CT: Yale University Press, 1938). <<

[148] J. B. Gurdon. «The developmental capacity of nuclei taken from intestinal epithelium cells of feeding tadpoles». Journal of Embryology and Experimental Morphology 34 (1962), págs. 93-112. <<

[149] Véase www.nobelprize.org. Véase también Wilmut y Highfield, After Dolly. <<

[150] J. F. Heidelberg, J. A. Eisen, W. C. Nelson, R. A. Clayton, M. L. Gwinn, R. J. Dodson, D. H. Haft, E. K. Hickey, J. D. Peterson, L. Umayam, S. R. Gill, K. E. Nelson, T. D. Read, H. Tettelin, D. Richardson, M. D. Ermolaeva, J. Vamathevan, S. Bass, H. Qin, I. Dragoi, P. Sellers, L. McDonald, T. Utterback, R. D. Fleishmann, W. C. Nierman, O. White, S. L. Salzberg, H. O. Smith, R. R. Colwell, J. J. Mekalanos, J. C. Venter y C. M. Fraser. «ADN sequence of both chromosomes of the cholera pathogen Vibrio cholerae». Nature 406, n.º 6795 (3 agosto 2000), págs. 477-83. <<

[151] World Health Organisation. «Cholera: Fact Sheet N.º 107», agosto 2011. www.who.int. <<

[152] A. Fischer, B. Shapiro, C. Muriuki, M. Heller, C. Schnee et al. «The origin of the “Mycoplasma mycoides cluster” coincides with domestication of ruminants». PLOS ONE 7, n.º 4 (2012): e36150. <<

[153] El ADN sólo puede hallarse en un estado superarrollado si está completamente intacto. Cualquier corte o mella en el ADN hará que se desenrolle. <<

[154] Se cree que la idea se remonta al menos a Laplace, quien dijo: «El peso de las pruebas para una afirmación extraordinaria ha de ser proporcional a su peculiaridad». <<

[155] «In “The Value of Science,” What Do You Care What Other People Think?» (1988, 2001), pág. 247. Recogido en Richard P. Feynman. The Pleasure of Finding Things Out (Nueva York, Perseus, 1999). [Hay version española: ¿Qué te importa lo que piensen los demás? (Madrid: Alianza editorial, 2011)]. <<

[156] H. Gardner. Creating Minds: An Anatomy of Creativity Seen Through the Lives of Freud, Einstein, Picasso, Stravinsky, Eliot, Graham, and Gandhi (Nueva York: HarperCollins, 1993). [Hay version española: Mentes creativas. Una anatomía de la creatividad (Barcelona: Paidós, 1998)]. <<

[157] Véase www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2008/ shimomura.html. <<

[158] C. Lartigue, S. Vashee, M. A. Algire, R. Y. Chuang, G. A. Benders, L. Ma, V. N. Noskov, E. A. Denisova, D. G. Gibson, N. Assad-Garcia, N. Alperovich, D. W. Thomas, C. Merryman, C. A. Hutchison III, H. O. Smith, J. C. Venter y J. I. Glass. «Creating bacterial strains from genomes that have been cloned and engineered in yeast». Science 325, n.º 5948 (25 septiembre 2009), págs. 1693-96. doi:10.1126/science.1173759. Gwynedd A. Benders, Vladimir N. Noskov, Evgeniya A. Denisova, Carole Lartigue, Daniel G. Gibson, Nacyra Assad-Garcia, Ray-Yuan Chuang, William Carrera, Monzia Moodie, Mikkel A. Algire, Quang Phan, Nina Alperovich, Sanjay Vashee, Chuck Merryman, J. Craig Venter, Hamilton O. Smith, John I. Glass y Clyde A. Hutchison III. «Cloning whole bacterial genomes in yeast». Nucleic Acids Research 38, n.º 8 (mayo 2010), págs. 2558-69. doi:10.1093/nar/gkq119. D. G. Gibson, G. A. Benders, K. C. Axelrod, J. Zaveri, M. A. Algire, M. Moodie, M. G. Montague, J. C. Venter, H. O. Smith y C. A. Hutchison III. «One-step assembly in yeast of 25 overlapping ADN fragments to form a complete synthetic Mycoplasma genitalium genome». Proceedings of the National Academy of Sciences 105 (2008), pág. 20404-9. <<

[159] Carole Lartigue, Sanjay Vashee, Mikkel A. Algire, Ray-Yuan Chuang, Gwynedd A. Benders, Li Ma, Vladimir N. Noskov, Evgeniya A. Denisova, Daniel G. Gibson, Nacyra Assad-Garcia, Nina Alperovich, David W. Thomas, Chuck Merryman, Clyde A. Hutchison III, Hamilton O. Smith, J. Craig Venter y John I. Glass. «Creating bacterial strains from genomes that have been cloned and engineered in yeast». Science 325, n.º 5948 (25 septiembre 2009), pág. 1693-96. <<

[160] Por ejemplo, Windows XP tiene unos cuarenta y cinco millones. Véase www.facebook.com. <<

[161] Daniel G. Gibson, John I. Glass, Carole Lartigue, Vladimir N. Noskov, Ray-Yuan Chuang, Mikkel A. Algire, Gwynedd A. Benders, Michael G. Montague, Li Ma, Monzia M. Moodie, Chuck Merryman, Sanjay Vashee, Radha Krishnakumar, Nacyra Assad-Garcia, Cynthia Andrews-Pfannkoch, Evgeniya A. Denisova, Lei Young, Zhi-Qing Qi, Thomas H. Segall-Shapiro, Christopher H. Calvey, Prashanth P. Parmar, Clyde A. Hutchison III, Hamilton O. Smith y J. Craig Venter. «Creation of a bacterial cell controlled by a chemically synthesized genome». Science 329, n.º 5987 (2 julio 2010), págs. 52-56. <<

[162] Daniel E. Koshland, Jr. «The seven pillars of life». Science 295, n.º 5563 (22 marzo 2002), págs. 2215-16. doi:10.1126/science.1068489. <<

[163] Robert B. Leighton y Richard Feynman. The Feynman Lectures on Physics, vol. I, 8-2 (Boston: Addison-Wesley, 1964). [Hay versión española: Física (México: Fondo Educativo Interamericano, 1971-72)]. <<

[164] Ian Sample. «Craig Venter Creates Synthetic Life Form». Guardian, 20 mayo 2010. www.guardian.co.uk. <<

[165] Phillip F. Schewe. Maverick Genius: The Pioneering Odyssey of Freeman Dyson (Nueva York: Thomas Dunne, 2013). <<

[166] Nicholas Wade. «Researchers Say They Created a “Synthetic Cell”». New York Times, 20 mayo 2010. www.nytimes.com. <<

[167] Véase la Encuesta Leveson: www.levesoninquiry.org.uk. <<

[168] Fiona Macrae. «Scientist Accused of Playing God after Creating Artificial Life by Making Designer Microbe from Scratch-But Could It Wipe Out Humanity?». Daily Mail, 3 junio, 2010. www.dailymail.co.uk. <<

[169] New Directions: The Ethics of Synthetic Biology and Emerging Technologies. Presidential Commission for the Study of Bioethical Issues, Washington D.C., diciembre 2010. www.bioethics.gov. <<

[170] «Vatican greets development of first synthetic cell with caution». The Catholic Transcript Online. www.catholictranscript.org. <<

[171] Texto accesible en línea en life.ou.edu. <<

[172] Paul Nurse. «Wee beasties». Nature 432, n.º 7017 (diciembre 2004), pág. 557. <<

[173] Shao Jun Du, Zhiyuan Gong, Garth L. Fletcher, Margaret A. Shears, Madonna J. King, David R. Idler y Choy L. Hew. «Growth enhancement in transgenic Atlantic salmon by the use of an “all fish” chimeric growth hormone gene construct». Bio/Technology 10, n.º 2 (1992), págs. 176-81. <<

[174] William B. Whitman, David C. Coleman y William J. Wiebe. «Prokaryotes: The unseen majority». Proceedings of the National Academy of Sciences 95, n.º 12 (1998), págs. 6578-83. doi:10.1073/pnas.95.12.6578. <<

[175] Francis Crick. Life Itself: Its Origin and Nature (Nueva York: Simon and Schuster, 1981). [Hay versión española: La vida misma (México: Fondo de Cultura Económica, 1985)]. <<

[176] C. C. Price, «The new era in science». Chemical and Engineering News 43, n.º 39 (1965), pág. 90. <<

[177] Stanley L. Miller. «Production of amino acids under possible primitive earth conditions». Science 117, n.º 3046 (mayo 1953), págs. 528-29. <<

[178] J. Oró y A. P. Kimball. «Synthesis of purines under possible primitive earth conditions. I. Adenine from hydrogen cyanide». Archives of Biochemistry and Biophysics 94 (agosto 1961), págs. 217-27. J. Oró y S. S. Kama. «Amino-acid synthesis from hydrogen cyanide under possible primitive earth conditions». Nature 190, n.º 4774 (abril 1961), págs. 442-43. J. Oró en S. W. Fox, ed. Origins of Prebiological Systems and of Their Molecular Matrices (Nueva York: Academic Press, 1967), pág. 137. <<

[179] Thomas R. Cech. «The ARN worlds in context». Cold Spring Harbor Perspectives in Biology 4, n.º 7 (1 julio 2012). Accesible en línea en cshperspectives.cshlp.org. <<

[180] Carl Woese. The Genetic Code (Nueva York: Harper and Row, 1967). <<

[181] K. Kruger, P. J. Grabowski, A. J. Zaug, J. Sands, D. E. Gottschling y T. R. Cech. «Self-splicing ARN: Autoexcision and autocyclization of the ribosomal ARN intervening sequence of Tetrahymena». Cell 31, n.º 1 (noviembre 1982), págs. 147-57. <<

[182] C. Guerrier-Takada, K. Gardiner, T. Marsh, N. Pace y S. Altman. «The ARN moiety of ribonuclease P is the catalytic subunit of the enzyme». Cell 35, n.º 3, parte 2 (1983), págs. 849-57. <<

[183] El premio Nobel de Química de 1989 se concedió a Thomas R. Cech y Sidney Altman «por su descubrimiento de las propiedades catalíticas del ARN». <<

[184] Para una revisión actualizada, puede consultarse David Deamer, First Life: Discovering the Connections Between Stars, Cells and How Life Began (Berkeley y Los Ángeles: University of California Press, 2011). <<

[185] Jack Szostak recibió el premio Nobel de Fisiología o Medicina de 2009, junto con Elizabeth Blackburn y Carol W. Greider, por el descubrimiento de la manera en que los cromosomas son protegidos por los telómeros. <<

[186] Jack W. Szostak, David P. Bartel y P. Luigi Luisi. «Synthesizing life». Nature 409 (18 enero 2001), págs. 387-90. <<

[187] Rich Roberts, en la actualidad en los New England Biolabs, compartió el premio Nobel de Fisiología o Medicina de 1993 con Phillip Sharp por el descubrimiento de los intrones en el ADN eucariota y el mecanismo de corte y empalme génico. <<

[188] I. A. Chen, R. W. Roberts y J. W. Szostak. «The emergence of competition between model protocells». Science 305 (3 septiembre 2004), págs. 1474-76. <<

[189] Kurt J. Isselbacher. «Paul C. Zamecnik (1912-2009)». Science 326, n.º 5958 (4 diciembre 2009), pág. 1359. <<

[190] M. W. Nirenberg y H. J. Matthaei. «The dependence of cell-free protein synthesis in E. coli upon naturally occurring or synthetic polyribonucleotides». Proceedings of the National Academy of Sciences 47, n.º 10 (1961), págs. 1588-1602. <<

[191] Y. Shimizu et al. «Cell-free translation reconstituted with purified components». Nature Biotechnology 19 (2001), págs. 751-55. <<

[192] Geoff Baldwin, Travis Bayer, Robert Dickinson, Tom Ellis, Paul S. Freemont, Richard I. Kitney, Karen Polizzi, y Guy-Bart Stan. Synthetic Biology: A Primer (Londres: Imperial College Press, 2012), pág. 142. <<

[193] Mansi Srivastava, Oleg Simakov, Jarrod Chapman, Bryony Fahey, Marie E. A. Gauthier, Therese Mitros, Gemma S. Richards, Cecilia Conaco, Michael Dacre, Uffe Hellsten, Claire Larroux, Nicholas H. Putnam, Mario Stanke, Maja Adamska, Aaron Darling, Sandie M. Degnan, Todd H. Oakley, David C. Plachetzki, Yufeng Zhai, Marcin Adamski, Andrew Calcino, Scott F. Cummins, David M. Goodstein, Christina Harris, Daniel J. Jackson et al. «The Amphimedon queenslandica genome and the evolution of animal complexity». Nature 466 (5 agosto 2010), págs. 720-26. doi:10.1038/nature09201. <<

[194] K. W. Jeon, I. J. Lorch y J. F. Danielli. «Reassembly of living cells from dissociated components». Science 167, n.º 3925 (20 marzo 1970), págs. 1626-27. <<

[195] Charles Darwin. On the Origin of Species (1859). [Hay diversas versiones españolas: El origen de las especies por medio de la selección natural (Madrid: Alianza editorial, 2010)]. <<

[196] www.vph-noe.eu. <<

[197] D. Noble. «Cardiac action and pacemaker potentials based on the Hodgkin-Huxley equations». Nature 188 (5 noviembre 1960), págs. 495-97. <<

[198] D. Noble. «From the Hodgkin-Huxley axon to the virtual heart». Journal of Physiology 580, n.º 1 (1 abril 2007), págs. 15-22. doi:10.1113/jphysiol.2006.119370. <<

[199] Véase www.humanbrainproject.eu/. <<

[200] Véase europa.eu. <<

[201] Nobuyoshi Ishii, Kenji Nakahigashi, Tomoya Baba, Martin Robert, Tomoyoshi Soga, Akio Kanai, Takashi Hirasawa, Miki Naba, Kenta Hirai, Aminul Hoque, Pei Yee Ho, Yuji Kakazu, Kaori Sugawara, Saori Igarashi, Satoshi Harada, Takeshi Masuda, Naoyuki Sugiyama, Takashi Togashi, Miki Hasegawa, Yuki Takai, Katsuyuki Yugi, Kazuharu Arakawa, Nayuta Iwata, Yoshihiro Toya, Yoichi Nakayama, Takaaki Nishioka, Kazuyuki Shimizu, Hirotada Mori y Masaru Tomita. «Multiple high-throughput analyses monitor the response of E. coli to perturbations». Science 316, n.º 5824 (27 abril 2007), pág. 593. <<

[202] Véase wholecellkb.stanford.edu. <<

[203] Véase wholecellkb.stanford.edu. <<

[204] W. C. Nierman, T. V. Feldblyum, M. T. Laub, I. T. Paulsen, K. E. Nelson, J. A. Eisen, J. F. Heidelberg, M. R. Alley, N. Ohta, J. R. Maddock, I. Potocka, W. C. Nelson, A. Newton, C. Stephens, N. D. Phadke, B. Ely, R. T. DeBoy, R. J. Dodson, A. S. Durkin, M. L. Gwinn, D. H. Haft, J. F. Kolonay, J. Smit, M. B. Craven, H. Khouri, J. Shetty, K. Berry, T. Utterback, K. Tran, A. Wolf, J. Vamathevan, M. Ermolaeva, O. White, S. L. Salzberg, J. C. Venter, L. Shapiro y C. M. Fraser. «Complete genome sequence of Caulobacter crescentus». Proceedings of the National Academy of Sciences 98, n.º 7 (27 marzo, 2001), págs. 4136-41; véase también erratum en Proceedings of the National Academy of Sciences 98, n.º 11 (22 mayo 2001), pág. 6533. <<

[205] Beat Christen, Eduardo Abeliuk, John M. Collier, Virginia S. Kalogeraki, Ben Passarelli, John A. Coller, Michael J. Fero, Harley H. McAdams y Lucy Shapiro. «The essential genome of a bacterium». Molecular Systems Biology 7 (2011), artículo 528. <<

[206] Baldwin et al., Synthetic Biology. <<

[207] T. S. Gardner, C. R. Cantor y J. J. Collins. «Construction of a genetic toggle switch in Escherichia coli». Nature 403, n.º 6767 (20 enero 2000), págs. 339-42. <<

[208] J. J. Tabor, H. Salis, Z. B. Simpson, A. A. Chevalier, A. Levskaya, E. M. Marcotte, C. A. Voigt y A. D. Ellington. «A synthetic genetic edge detection program». Cell 137, n.º 7 (2009), págs. 1272-81. <<

[209] Tal Danino, Octavio Mondragon-Palomino, Lev Tsimring y Jeff Hasty. «A synchronized quorum of genetic clocks». Nature 463 (21 enero 2010), págs. 326-30. <<

[210] Véase www.clothocad.org. <<

[211] Baldwin et al., Synthetic Biology, pág. 121. <<

[212] Karmella A. Haynes, Marian L. Broderick, Adam D. Brown, Trevor L. Butner, James O. Dickson, W. Lance Harden, Lane H. Heard, Eric L. Jessen, Kelly J. Malloy, Brad J. Ogden, Sabriya Rosemond, Samantha Simpson, Erin Zwack, A. Malcolm Campbell, Todd T. Eckdahl, Laurie J. Heyer y Jeffrey L. Poet. «Engineering bacteria to solve the Burnt Pancake Problem». Journal of Biological Engineering 2, n.º 8 (2008). doi:10.1186/1754-1611-2-8. <<

[213] Parasight, Imperial College London. 2010.igem.org/Team: Imperial_College_London. <<

[214] Baldwin et al., Synthetic Biology, pág. 121. <<

[215] Laura Adam, Michael Kozar, Gaelle Letort, Olivier Mirat, Arunima Srivastava, Tyler Stewart, Mandy L Wilson y Jean Peccoud. «Strengths and limitations of the federal guidance on synthetic ADN». Nature Biotechnology 29 (2010), págs. 208-210. doi:10.1038/nbt.1802. <<

[216] Yael Heyman, Amnon Buxboim, Sharon G. Wolf, Shirley S. Daube y Roy H. Bar-Ziv. «Cell-free protein synthesis and assembly on a biochip». Nature Nanotechnology 7 (2012), págs. 374-378. doi:10.1038/nnano.2012.65. <<

[217] Taiji Okano, Tomoaki Matsuura, Yasuaki Kazuta, Hiroaki Suzukiac y Yomo Tetsuya. «Cell-free protein synthesis from a single copy of ADN in a glass microchamber». Lab Chip 12, n.º 15 (2012), págs. 2704-11. doi:10.1039/C2LC40098G. <<

[218] V. Noireaux, R. Bar-Ziv y A. Libchaber. «Principles of cell-free genetic circuit assembly». Proceedings of the National Academy of Sciences 100 (2003), págs. 12672-77. <<

[219] Véase library.cshl.edu. <<

[220] J. Miller, A. D. McLachlan y A. Klug. «Repetitive zinc-binding domains in the protein transcription factor IIIA from Xenopus oocytes». EMBO Journal 4, n.º 6 (junio 1985), págs. 1609-14. <<

[221] Ahmad S. Khalil, Timothy K. Lu, Caleb J. Bashor, Cherie L. Ramirez, Nora C. Pyenson, J. Keith Joung y James J. Collins. «A synthetic biology framework for programming eukaryotic transcription functions». Cell 150, n.º 3 (3 agosto 2012), págs. 647-58. <<

[222] Ibid. <<

[223] «Synthetic Genomics: Options for Governance», accesible en línea en www.synbiosafe.eu [PDF]. <<

[224] Véase «Playing democs games to explore synthetic biology,» Edinethics, en www.edinethics.co.uk [PDF]; y Nuffield Council on Bioethics en www.nuffieldbioethics. <<

[225] «Bridging science and security for biological research: A discussion about dual use review and oversight at research institutions. Report of a meeting September 13-14, 2012». American Association for the Advancement of Science junto con Association of American Universities, Association of Public and Land-Grant Universities, y el Federal Bureau of Investigation. <<

[226] Véase www.biofab.org/. <<

[227] Marcus Wohlsen. Biopunk: DIY Scientists Hack the Software of Life (Nueva York: Current, 2011), págs. 65, 155. <<

[228] Freeman Dyson. «Our Biotech Future». New York Review of Books, 19 julio 2007. <<

[229] Véase A. S. Khan. «Public health preparedness and response in the USA since 9/11: A national health security imperative». Lancet 378 (2011), págs. 953-56; y el informe «Bridging science and security for biological research». <<

[230] Biotechnology Research in an Age of Terrorism: Confronting the “Dual Use” Dilemma (Washington, D.C.: National Academies Press, 2004). <<

[231] Wohlsen, Biopunk. <<

[232] Baldwin et al., Synthetic Biology, pág. 139. <<

[233] Hay muchas formulaciones. Véase Kenneth R. Foster, Paolo Vecchia y Michael H. Repacholi. «Science and the precautionary principle». Science 288, n.º 5468 (2000), págs. 979-81. <<

[234] www.bioethics.gov [PDF]. <<

[235] Isaac Asimov. «Introduction». En The Rest of the Robots (Nueva York: Doubleday, 1964). <<

[236] Arthur Conan Doyle. «The Disintegration Machine» (1929). Texto accesible en línea en gutenberg.net.au. [Hay traducción española: Aventuras del profesor Challenger (Barcelona: Laertes, 1982)]. <<

[237] Capitán Kirk en «Los tahúres de Triskelion,» Star Trek, 5 enero 1968. (Aunque se ha relacionado con la serie televisiva y los filmes de Star Trek, la frase «¡Teletranspórtame, Scotty!» no se pronunció nunca en ningún episodio ni película). <<

[238] Isaac Asimov. «It’s Such a Beautiful Day». Star Science Fiction Stories 3 (1954). <<

[239] C. H. Bennett, G. Brassard, C. Crépeau, R. Jozsa, A. Peres y W. K. Wootters. «Teleporting an unknown quantum state via dual classical and Einstein-Podolsky-Rosen channels». Physical Review Letters 70 (1993), págs. 1895-99. <<

[240] Xiao-Song Ma, Thomas Herbst, Thomas Scheidl, Daqing Wang, Sebastian Kropatschek, William Naylor, Bernhard Wittmann, Alexandra Mech, Johannes Kofler, Elena Anisimova, Vadim Makarov, Thomas Jennewein, Rupert Ursin y Anton Zeilinger. «Quantum teleportation over 143 kilometres using active feed-forward». Nature 489 (2012), págs. 269-73. doi:10.1038/nature11472. <<

[241] David D. Awschalom, Lee C. Bassett, Andrew S. Dzurak, Evelyn L. Hu y Jason R. Petta. «Quantum spintronics: Engineering and manipulating atom-like spins in semiconductors». Science 339, n.º 6124 (2013), págs. 1174-79. doi:10.1126/science.1231364. <<

[242] A. Furusawa, J. L. Sorensen, S. L. Braunstein, C. A. Fuchs, H. J. Kimble y E. S. Polzik. «Unconditional quantum teleportation». Science 282, n.º 5389 (23 octubre 1998), págs. 706-9. doi:10.1126/science.282. 5389.706. <<

[243] Xiao-Hui Bao, Xiao-Fan Xu, Che-Ming Li, Zhen-Sheng Yuan, Chao-Yang Lu y Jian-Wei Pan. «Quantum teleportation between remote atomic-ensemble quantum memories». Proceedings of the National Academy of Sciences 109, n.º 50 (11 diciembre 2012). doi:10.1073/pnas.1207329109. <<

[244] J. R. Minkel. «Beam Me Up, Scotty?». Scientific American, 14 febrero 2008. www.scientificamerican.com. <<

[245] Dimitar Sasselov. Comunicación personal, 6 agosto 2012. <<

[246] Charles H. Townes. «The First Laser». En Laura Garwin y Tim Lincoln, eds. A Century of Nature: Twenty-One Discoveries That Changed Science and the World (Chicago: University of Chicago Press, 2003), págs. 107-12. <<

[247] E. Chain, H. W. Florey, A. D. Gardner, N. G. Heatley, B. M. Jennings, J. Orr-Ewing y A. G. Sanders. «Penicillin as a chemotherapeutic agent». Lancet 236, n.º 6104 (24 agosto 1940), págs. 226-28. <<

[248] Edward Topp, Ralph Chapman, Marion Devers-Lamrani, Alain Hartmann, Romain Marti, Fabrice Martin-Laurent, Lyne Sabourin, Andrew Scott y Mark Sumarah. «Accelerated biodegradation of veterinary antibiotics in agricultural soil following long-term exposure, and isolation of a sulfamethazine-degrading Microbacterium sp». Journal of Environmental Quality 42,n.º1(6diciembre2012),págs.173-78.doi:10.2134/jeq2012.0162. <<

[249] A. Fajardo, N. Martínez-Martín, M. Mercadillo, J. C. Galán, B. Ghysels et al. «The neglected intrinsic resistome of bacterial pathogens». PLOS ONE 3, n.º 2 (2008): e1619. <<

[250] Gerard D. Wright. «The antibiotic resistome: The nexus of chemical and genetic diversity». Nature Reviews: Microbiology 5 (marzo 2007), págs. 175-86. <<

[251] J. Lederberg y E. L. Tatum. «Gene recombination in E. coli». Nature 158, n.º 4016 (1946), pág. 558. <<

[252] Otto Carrs. «Meeting the challenge of antibiotic resistance». British Medical Journal 337 (2008): a1438. <<

[253] Jean Marx. «New bacterial defense against phage invaders identified». Science 315, n.º 5819 (23 marzo 2007), págs. 1650-51. <<

[254] Cairns, Stent y Watson, Phage and the Origins of Molecular Biology, pág. 5. <<

[255] Véase newsarchive.asm.org. <<

[256] Véase Alexander Sulakvelidze, Zemphira Alavidze y J. Glenn Morris, Jr. «Bacteriophage therapy». Antimicrobial Agents Chemotherapy 45, n.º 3 (marzo 2001), págs. 649-59. doi:10.1128/AAC.45.3.649-659.2001. <<

[257] F. d’Herelle. «Sur un microbe invisible antagoniste des bacillus dysenteriques». Comptes rendus de l’Académie des Sciences 165 (1917), págs. 373-75. <<

[258] E. H. Hankin. «L’action bactericide des eaux de la Jumna et du Gange sur le vibrion du cholera». Annales de l’Institut Pasteur 10 (1896), págs. 511-23. <<

[259] Véase Instituto Eliava en www.eliava-institute.org. <<

[260] Cairns, Stent y Watson, Phage and the Origins of Molecular Biology, pág. 5. <<

[261] Editorial, «Limitations of bacteriophage therapy». JAMA 96 (1931): p. 693; y editorial, «Commercial aspects of bacteriophage therapy». JAMA <<

[262] Editorial, «Limitations of bacteriophage therapy». JAMA 96 (1931): p. 693; y editorial, «Commercial aspects of bacteriophage therapy». JAMA (1933), págs. 1603-4. <<

[263] William C. Summers. «The strange history of phage therapy». Bacteriophage 2, n.º 2 (2012), págs. 130-33. <<

[264] G. S. Stent. Molecular Biology of Bacterial Viruses (San Francisco y Londres: W. H. Freeman, 1963), págs. 8-9. <<

[265] Summers, «The strange history of phage therapy,» págs. 130-33. <<

[266] Lauren Gravitz. «Turning a new phage». Nature Medicine 18 (2012), págs. 1318-20. doi:10.1038/nm0912-1318. <<

[267] Christopher Browning, Mikhail Shneider, Valorie Bowman, David Schwarzer y Petr Leiman. «Phage pierces the host cell membrane with the iron-loaded spike». Structure 20, n.º 2 (8 febrero 2012), págs. 326-39. <<

[268] M. S. Zahid, S. M. Udden, A. S. Faruque, S. B. Calderwood, J. J. Mekalanos et al. «Effect of phage on the infectivity of Vibrio cholerae and emergence of genetic variants». Infection and Immunity 76 (2008), págs. 5266-73. Jean Marx. «New bacterial defense against phage invaders identified». Science 315, n.º 5819 (23 marzo 2007), págs. 1650-51. <<

[269] Sheena McGowan, Ashley M. Buckle, Michael S. Mitchell, James T. Hoopes, D. Travis Gallagher, Ryan D. Heselpoth, Yang Shen, Cyril F. Reboul, Ruby H. P. Law, Vincent A. Fischetti, James C. Whisstock y Daniel C. Nelson. «X-ray crystal structure of the streptococcal specific phage lysin PlyC». Proceedings of the National Academy of Sciences 109, n.º 31 (31 julio 2012). doi:10.1073/pnas.1208424109. <<

[270] A. Wright, C. H. Hawkins, E. E. Anggard y D. R. Harper. «A controlled clinical trial of a therapeutic bacteriophage preparation in chronic otitis due to antibiotic-resistant Pseudomonas aeruginosa: A preliminary report of efficacy». Clinical Otolaryngology 34, n.º 4 (agosto 2009), págs. 349-57. <<

[271] L. J. Marinelli et al. «Propionibacterium acnes bacteriophages display limited genetic diversity and broad killing activity against bacterial skin isolates». mBio 3, n.º 5 (2012): e00279-12. <<

[272] Isaac Newton. Opticks, 2.ª edición (1718). Book 3, Query 30, 349. <<

[273] Brett J. Gladman, Joseph A. Burns, Martin Duncan, Pascal Lee y Harold F. Levison. «The exchange of impact ejecta between terrestrial planets». Science 271, n.º 5254 (8 marzo 1996): p. 1387(6). <<

[274] David S. McKay et al. «Search for past life on Mars: Possible relic biogenic activity in Martian meteorite ALH84001». Science 273, n.º 5277 (1996), págs. 924-30. <<

[275] I. P. Wright, M. M. Grady y C. T. Pillinger. «Organic materials in a martian meteorite». Nature 340 (20 julio 1989), págs. 220-22. <<

[276] Carnegie Institution Geophysical Laboratory Seminar, 14 mayo 2007. Resumen en Gilbert V. Levin. «Analysis of evidence of Mars life». Electroneurobiología 15, n.º 2 (2007), págs. 39-47. Ronald Paepe. «The red soil on Mars as a proof for water and vegetation (PDP)». Geophysical Research Abstracts 9, n.º 1794 (2007). R. Navarro-González et al. «The limitations on organic detection in Mars-like soils by thermal volatilization-gas chromatography-MS and their implications for the Viking results». Proceedings of the National Academy of Sciences 103, n.º 44 (2006), págs. 16089-94. Véase también: Rafael Navarro-González, Edgar Vargas, José de la Rosa, Alejandro C. Raga y Christopher P. McKay. «Reanalysis of the Viking results suggests perchlorate and organics at midlatitudes on Mars». Journal of Geophysical Research 115 (2010); accesible en línea en www.earth.northwestern.edu [PDF]. <<

[277] Véase www.nasa.gov. <<

[278] M. Carr y J. Head. «Oceans on Mars: An assessment of the observational evidence and possible fate». Journal of Geophysical Research 108 (2003), pág. 5042. doi:10.1029/2002JE001963. <<

[279] Véase marsrover.nasa.gov. <<

[280] Marc Kaufman. «Mars Curiosity Rover Finds Proof of Flowing Water-A First». National Geographic, 27 septiembre 2012. news.na tionalgeographic.com. <<

[281] Francis M. McCubbin, Erik H. Hauri, Stephen M. Elardo, Kathleen E. Vander Kaaden, Jianhua Wang y Charles K. Shearer Jr. «Hydrous melting of the Martian mantle produced both depleted and enriched shergottites». Geology G33242.1 (15 junio 2012). <<

[282] Congreso sobre Geophysical Detection of Subsurface Water on Mars (2001). <<

[283] M. Max y S. M. Clifford. «Mars methane: A critical in-situ resource to support human exploration». Concepts and Approaches for Mars Exploration (2012). www.lpi.usra.edu [PDF]. <<

[284] Morten E. Allentoft, Matthew Collins, David Harker, James Haile, Charlotte L. Oskam, Marie L. Hale, Paula F. Campos, José A. Samaniego, M. Thomas P. Gilbert, Eske Willerslev, Guojie Zhang, R. Paul Scofield, Richard N. Holdaway y Michael Bunce. «The half-life of ADN in bone: Measuring decay kinetics in 158 dated fossils». Proceedings of the Royal Society B 279, n.º 1748 (7 diciembre 2012), págs. 4724-33. <<

[285] Yudhijit Bhattacharjee. «Failure to Launch: Mars Missions Sidelined in New NASA Budget Proposal». Science, Science Insider blog, 13 febrero 2012. news.sciencemag.org. <<

[286] El informe de la comisión de investigación sobre la pérdida de la misión Beagle 2 es accesible en www.bis.gov.uk [PDF]. <<

[287] H. Price et al. «Mars Sample Return Spacecraft Systems Architecture». Jet Propulsion Laboratory. California Institute of Technology. trs-new.jpl.nasa.gov [PDF]. <<

[288] El tratado de la ONU es accesible en línea en www.oosa.unvienna.orgl. <<

[289] Michael Crichton. The Andromeda Strain (Nueva York: Knopf, 1969). [Hay version española: La amenaza de Andrómeda (Barcelona: Debolsillo, 2007)]. <<

[*] Hay varias versiones españolas: Discurso del método, Espasa-Calpe, Madrid, 1991. (N. del t.). <<

[*] Historia de la química. (N. del t.). <<

[*] Adviértase que en inglés celda o celdilla y célula se escriben igual, cell, pero no en español. De hecho, el origen del nombre (el latín cellula, diminutivo de cella, celda) proviene del aspecto que tenían bajo el microscopio las células vegetales que observó Robert Hooke. En la traducción se ha procurado discernir ambos significados. (N. del t.). <<

[*] Instituto de Tecnología de California. (N. del t.). <<

[*] Uracilo. (N. del t.) <<

[**] National Institutes of Health (NIH). (N. del t.). <<

[*] Escuela Técnica Superior Confederada. (N. del t.). <<

[*] FLOPS: Floating Point Operations per Second (N. del t.). <<

[*] O proteasoma. (N. del t.). <<

[*] Expressed sequence tags. (N. del t.). <<

[*] The Institute for Genomic Research. (N. del t.). <<

[*] Whole genome shotgun sequencing. (N. del t.). <<

[*] Referencia a la implicación creciente de Estados Unidos por aquel entonces en la guerra del Vietnam. (N. del t.). <<

[*] Department of Energy. (N. del t.). <<

[*] Oligonucleótidos. (N. del t.). <<

[*] O ántrax. (N. del t.). <<

[*] En realidad, la cosa es más compleja: biología de sistemas se aplica a todo tipo de sistemas, no sólo a los fisiológicos, sino también a los ecológicos o a los sociales, mientras que nanotecnología se refiere, como su nombre indica, a la tecnología de lo minúsculo, ya sea químico, físico o biológico. (N. del t.). <<

[**] Multiplex Automated Genome Engineering. (N. del t.). <<

[*] Otra dificultad notable es el minúsculo tamaño de la célula bacteriana (unas pocas micras), que hace totalmente imposible la manipulación al estilo de la que puede hacerse con células eucariotas. (N. del t.). <<

[*] Proteína fluorescente verde. (N. del t.). <<

[*] Juego de palabras intraducible: blue es azul, pero también triste. (N. del t.) <<

[*] Transformation-associated recombination. (N. del t.). <<

[**] Yeast artificial chromosomes. (N. del t.). <<

[*] Electroforesis sobre gel con inversión de campo. (N. del t.). <<

[*] Whole genome shotgun sequencing. (N. del t.). <<

[*] Wild type. (N. del t.). <<

[*] Protein synthesis using recombinant elements. (N. del t.). <<

[*] El Proyecto del Cerebro Humano está siendo contestado por una mayoría de neurocientíficos, que se quejan de una falta de transparencia en la gestión del proyecto y de una notable reducción de los fondos dedicados a la investigación convencional del cerebro. (N. del t.). <<

[*] Célula electrónica. (N. del t.). <<

[*] International Genetically Engineered Machine. (N. del t.). <<

[*] Literalmente, bioladrillos. (N. del t.). <<

[*] Biofábrica. (N. del t.). <<

[**] Biocerveza. (N. del t.). <<

[*] Junto con protones y neutrones. (N. del t.). <<

[*] La gripe española. (N. del t.). <<

[*] Por protección o patógeno. (N. del t.). <<