“Definitivamente vivo”.
Thomas Brock anotó esas palabras, hace medio siglo, en uno de los cuadernos que llevaba en sus investigaciones de campo en Yellowstone.
Era la década de los 60, y el científico estadounidense se refería a uno de los inusuales organismos que acababa de hallar en uno de los manantiales termales del parque.
Fue en uno de esos manantiales donde Brock descubrió una bacteria adaptada a la vida a altas temperaturas a la que llamó Thermus aquaticus.
La bacteria, ahora célebre, acabaría revolucionando la biotecnología y haciendo posibles los llamados tests PCR, las pruebas más fiables usadas en todo el mundo para diagnosticar el covid-19.
Thomas Brock tiene ahora más de 90 años y es profesor emérito de microbiología de la Universidad de Wisconsin-Madison.
En esta nota te contamos cómo el trabajo pionero de Brock acabó vinculado con la actual pandemia, a través de una cadena fascinante de episodios en la historia de la ciencia.
¿Qué siente Brock al pensar que su hallazgo está ayudando a diagnosticar el covid-19 y a salvar vidas?
“Estoy orgulloso”, señaló el científico a BBC Mundo desde su hogar en Wisconsin.
“Yo veía mi descubrimiento como un buen modelo para estudiar la biología molecular de la vida a altas temperaturas”.
¿Pero pensó alguna vez que tendría un impacto tan masivo?
“No lo hubiera imaginado ni en un millón de años”.
El descubrimiento de la bacteria
Brock jamás había visto manantiales termales antes de llegar al parque de Yellowstone en 1964.Pero volvió año tras año. Lo impulsaba el deseo de investigar qué formas de vida podrían subsistir en esas piscinas naturales, en las que los colores vívidos denotan la presencia de microorganismos.
Brock y uno de sus estudiantes, Hudson Freeze, cultivaron bacterias de varios manantiales.
“A Thermus aquaticus la hallamos en el manantial Mushroom Spring, un manantial a 75 grados centígrados, donde también hay una gradiente termal, ya que en las salidas del manantial la temperatura baja a unos 35 grados. En ese momento, Thermus era el microorganismo más termófilo (que ama o tolera el calor) conocido”.
“El hallazgo demostró que otros investigadores estaban equivocados sobre los límites de temperatura en los que puede haber vida”, señaló Brock a BBC Mundo.
En manantiales termales de Yellowstone, y de otros sitios del planeta, la temperatura puede superar los 90 grados.
“Es agua subterránea que ha quedado acumulada en capas profundas y que se calienta por el calor derivado del magma del centro de la Tierra o por acción volcánica”, explicó a BBC Mundo la bióloga Sandra Baena, profesora de la Pontificia Universidad Javeriana en Bogotá, e investigadora de microorganismos que viven en condiciones extremas.
“Si tienes agua caliente en la subsuperficie de la Tierra y tienes fallas geológicas, o sea grietas, el agua va a buscar salida”.
El hallazgo de una enzima
Los mecanismos biológicos que permiten a bacterias como Thermus aquaticus sobrevivir a altas temperaturas en manantiales termales eran un tesoro a ser explorado por la ciencia.En la década de los 70, Alice Chien y otros investigadores de la Universidad de Cincinnati aislaron una de las enzimas de la bacteria.
La nueva enzima recibió el nombre de TAQ polimerasa. (TAQ era una referencia a Thermus aquaticus).El hallazgo de esta enzima resistente a altas temperaturas se cruza a partir de ahora con otra historia.
Y acabaría siendo crucial para un campo de la ciencia que avanzaba a pasos agigantados en la segunda mitad del siglo XX, el estudio del ADN.
La necesidad de multiplicar el ADN
“Entre mediados de los años 70 y mediados de los 80 habían aparecido una serie de técnicas que permitían manipular la molécula de ADN directamente, las llamadas técnicas de ADN recombinante, que permitían romper la molécula de ADN en fragmentos y analizarlos”, le explicó a BBC Mundo Miguel García-Sancho, profesor e investigador de Historia de la ciencia en la Universidad de Edimburgo.
“Porque hasta entonces, como la molécula de ADN era muy larga, era muy difícil aplicar técnicas analíticas a esa molécula”.
Además de los métodos para manipular fragmentos de ADN también surgieron técnicas de secuenciación de ADN que hicieron posible leer la estructura de esos fragmentos.
Los avances permitían investigar el ADN a una escala nunca antes imaginada. Pero había un gran obstáculo.
“Un problema al que se enfrentaba todo el mundo era obtener un volumen de ADN suficiente para poder analizar los fragmentos de ADN. Y también para secuenciar ADN necesitaban una cantidad suficiente”, explicó García-Sancho.
“La falta de ADN era un problema para muchos científicos de muchos campos”.
La invención de la PCR
Uno de los científicos que buscaba sintetizar o producir ADN en la década de los 80 era el estadounidense Kary Mullis, un químico de la empresa biotecnológica Cetus Corporation, en California.
Fue Mullis quien desarrolló una técnica para amplificar o copiar millones de veces una secuencia específica de ADN, la llamada PCR o reacción en cadena de la polimerasa, que utilizan los actuales tests para detectar el covid-19.
Kary Mullis llegaría a recibir el Premio Nobel de Química en 1993 “por su invención del método PCR”, pero la técnica tardó varios años en ser adoptada en forma generalizada.
Y ello se debió en parte a que Mullis “era un extraño para la comunidad científica. Él era un químico que trabajaba en una empresa, mientras que los científicos que trabajaban en secuenciar ADN eran biólogos moleculares en instituciones de prestigio como el MIT, el Instituto de Tecnología de Massachusetts”, afirmó García-Sancho, quien entrevistó personalmente a Mullis.
Calentar el ADN
El método desarrollado por Mullis requiere calentar y enfriar la muestra de ADN en ciclos relativamente rápidos.
El calentamiento separa las hebras de la doble hélice de ADN.
Y luego la temperatura se baja cuando una enzima, la ADN polimerasa, copia o replica cada hebra por separado.
Cuando se obtienen de esta forma copias nuevas, comienza un nuevo ciclo en el que las copias son calentadas otra vez para separar las hebras, repitiendo así el proceso una y otra vez.
Cada etapa produce más copias de ADN, y la actividad de la enzima se controla a través de la temperatura, en un proceso que puede llevar más de 30 ciclos.
La enzima que revolucionó la PCR
Es en la técnica PCR que reaparece en nuestra historia la bacteria de Yellowstone.
“La PCR requiere temperaturas que oscilan entre los 55 y los 95 ̊C, y por esto necesitamos enzimas que puedan soportar las altas temperaturas y mantenerse activas a lo largo de la reacción”, explicó a BBC Mundo Domenica Marchese, investigadora del Centro Nacional de Análisis Genómico (CNAG-CRG) de Barcelona.
La enzima o polimerasa que se utiliza en la PCR para copiar el ADN es una proteína. Y normalmente las proteínas que se exponen a temperaturas muy elevadas pierden su estructura original, explicó Marchese.
“Imaginemos, por ejemplo, una espiral de metal, como las que utilizamos para encuadernar un libro. Si abrimos la espiral y la estiramos, esta dejará de ser útil para su función. Lo mismo pasa normalmente con la ADN polimerasa. Cuando la exponemos a temperaturas elevadas pierde su capacidad de sintetizar el ADN”.
Cuando Kary Mullis inventó la técnica PCR comenzó usando enzimas de microorganismos como la bacteria E.Coli, que viven a temperaturas cercanas a 37 ̊C.
El problema era que durante la PCR, en cada ciclo, al llegar a los 95 ̊C , “la polimerasa perdía su actividad y era necesario añadir nueva polimerasa para el siguiente ciclo de la reacción. Esto era muy tedioso e implicaba unos costos muy elevados por cada reacción de PCR”.
El cambio fundamental fue la introducción de la Taq polimerasa, la enzima aislada de la bacteria hallada por Brock, que resistía altas temperaturas sin perder su estructura.
Esta enzima tiene su máxima actividad a 72 ̊C y puede resistir hasta unos 40 minutos a 95 ̊C.
“La Taq polimerasa representó un descubrimiento revolucionario”, señaló Marchese.
Una lección para la ciencia
La técnica PCR revolucionó la biotecnología y facilitó el análisis de ADN en campos tan diversos como la identificación del autor de un crimen en medicina forense, las pruebas de paternidad y el diagnóstico de enfermedades.
Yo creo que la PCR es lo que hizo que el análisis de ADN realmente importara y tuviera consecuencias en el mundo real”, señaló García-Sancho.
Gracias a esa técnica “el análisis de ADN se hizo público y la gente se dio cuenta de por qué era tan importante, y eso se puede ver ahora con el covid- 19”, agregó.
Para Thomas Brock, el impacto masivo de su descubrimiento tiene una lección profunda sobre la ciencia.
En su discurso de aceptación de un doctorado honorario de la Universidad de Wisconsin en 2019, Brock señaló sobre sus estudios en Yellowstone: “Yo tenía libertad para hacer lo que se llama investigación básica. Y algunas personas pensaban que era inútil porque no se enfocaba en fines prácticos”.
“Y preguntaban: ‘¿de qué puede servir buscar bacterias en manantiales termales en Yellowstone?’”.
“La enzima extraída de Thermus aquaticus es una de las enzimas más importantes del mundo. Hizo posible la PCR y la investigación moderna del ADN”.
La bacteria de Yellowstone demuestra, según dijo el científico a BBC Mundo, por qué es importante “establecer los principios básicos en los que pueden basarse muchas formas de trabajos científicos”.