La toma de huellas dactilares transformó las investigaciones policiales al permitir situar a un sospechoso en la escena del crimen con pruebas físicas. De manera similar, la secuenciación genómica ha cambiado la forma en que los detectives de enfermedades estudian los brotes al permitirles leer los genes de un patógeno como un registro biológico de su origen y cómo se propaga.
Una forma de pensar en la secuenciación es imaginar el genoma de un virus o bacteria como un libro de recetas. Cada gen es una receta para fabricar una proteína. Cuando los científicos secuencian un patógeno, leen el orden de las letras genéticas en esas recetas.
Con el tiempo, aparecen pequeños cambios en las recetas a medida que el patógeno muta. Al comparar esos cambios en las muestras recogidas de diferentes lugares y momentos, los investigadores pueden determinar qué infecciones están relacionadas y estimar cuándo y dónde el patógeno entró en una población.
Los científicos han utilizado la secuenciación de esta manera para rastrear brotes de Covid-19, ébola, mpox y enfermedades transmitidas por alimentos. Esta información ayuda a los investigadores de salud pública a relacionar casos que de otro modo podrían parecer no relacionados.
Aun así, la secuenciación genómica tiene sus límites. Puede mostrar que diferentes cepas de patógenos están relacionadas, pero no puede explicar completamente por qué un brote comenzó en un mismo lugar, por qué se propagó en una dirección concreta o cómo el comportamiento humano influyó en su curso. Responder a esas preguntas requiere combinar datos genómicos con registros históricos, artefactos arqueológicos, registros comerciales e investigaciones epidemiológicas.
Soy químico y autor de “Enfermedades Sin Fronteras: Plagas, Pandemias y Más Allá”, un libro para jóvenes adultos sobre enfermedades infecciosas y las formas en que han moldeado la historia humana. En mi investigación, he comprobado que, aunque el genoma puede ayudar a los investigadores a rastrear la evolución de un patógeno, se necesitan otros campos para explicar las condiciones ambientales que permitieron que este rastro se convirtiera en un brote.
El ADN antiguo solo cuenta parte de la historia
Los avances en la secuenciación y extracción de ADN durante la última década han hecho posible recuperar fragmentos de ADN antiguo de huesos y dientes. Los investigadores pueden utilizar estos genomas para estudiar un registro fósil molecular metafórico de la evolución microbiana.
La Peste Negra, una de las pandemias más mortíferas de la historia, muestra tanto el poder como los límites de la secuenciación.
La enfermedad infecciosa detrás de la Peste Negra, la peste, está causada por la bacteria Yersinia pestis. El ADN recuperado de los dientes de personas enterradas hace más de 5,000 años en lo que hoy es Suecia reveló la existencia de una forma ancestral de Y. pestis que aún no se había adaptado a las pulgas.
Unos 2,000 años después, la bacteria realizó un importante cambio evolutivo: adquirió la capacidad de sobrevivir en pulgas y pasar de un lado a otro entre humanos, ratas y otros mamíferos mediante picaduras de pulgas. Ese cambio hizo que el patógeno fuera mucho más peligroso y ayudó a allanar el camino para tres grandes pandemias de peste que siguieron: la peste justinianica del siglo VI al VIII; la peste negra y oleadas posteriores desde el siglo XIV hasta el XVIII; y la tercera pandemia, desde el siglo XIX hasta mediados del XX.
Pero, ¿cómo y por qué surgió la peste y se propagó por las sociedades humanas con resultados tan devastadores? Los resultados genéticos por sí solos no son suficientes para responder a estas preguntas.
Cuando las lápidas se convierten en evidencia genética
Los genetistas necesitaban arqueólogos, paleoclimatólogos e historiadores para completar el panorama de las pandemias de peste. El genoma reveló el linaje. Otras disciplinas aportaban el contexto histórico y medioambiental.
Dos cementerios del siglo XIV en lo que hoy es Kirguistán ofrecen un ejemplo llamativo de cómo la evidencia histórica puede guiar las investigaciones genéticas sobre los orígenes de una pandemia.
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El historiador Philip Slavin observó registros de archivo que apuntan a un número inusual de lápidas de 1338 y 1339. Algunas de esas lápidas se referían explícitamente a una peste como causa de la muerte.
Esa pista llevó a la siguiente fase de la investigación, donde la arqueóloga Maria Spyrou y su equipo extrajeron y secuenciaron ADN antiguo de los restos óseos de siete personas enterradas en las tumbas y encontraron rastros genéticos de Yersinia pestis en tres de los esqueletos. Estas cepas fueron precursoras cercanas de la cepa vinculada a la Peste Negra y antecesores de varias líneas modernas de Y. pestis.
Este gran hallazgo aún no era toda la historia. Podría explicar dónde comenzó la pandemia de la Peste Negra, pero no cómo la enfermedad se extendió por Asia a Europa. Los investigadores encontraron una posible respuesta a esta pregunta en artefactos enterrados en el yacimiento, que incluían perlas del Océano Índico, corales mediterráneos y monedas extranjeras. Estos objetos sugerían que la región estaba conectada a redes comerciales de larga distancia.
Una vez que se consideraron las lápidas, restos óseos, registros escritos y bienes comerciales juntos, surgió un panorama más rico. Los investigadores podrían situar el patógeno en un tiempo y lugar específicos y conectarlo con las redes de movimiento humano que podrían haber transportado la peste hacia el oeste.
La secuenciación proporcionó la pista biológica, revelando la identidad y ascendencia del patógeno. La historia y la arqueología convirtieron esa pista en una narrativa plausible.
Desde el ADN antiguo hasta los brotes modernos
La secuenciación genómica no se limita a examinar casos fríos de brotes. También es la herramienta preferida por los investigadores para comprender nuevas enfermedades.
Cuando surgieron los primeros casos reportados de Covid-19 en 2019, los investigadores secuenciaron rápidamente el virus y descubrieron que estaba estrechamente relacionado con el virus que causó el brote de SARS en 2002. Esto situó al nuevo virus dentro de una familia conocida de patógenos.
Posteriormente, la secuenciación genómica ayudó a revelar la magnitud de un gran evento de superspreading: la conferencia Biogen de 2020 en Boston.
La empresa biotecnológica Biogen reunió a unos 175 ejecutivos europeos y estadounidenses en un momento en que la Covid-19 apenas comenzaba a propagarse en Estados Unidos. En Europa, la Covid-19 también estaba en aumento, con el norte de Italia reportando focos de transmisiones locales apenas días antes de la reunión. Tras la reunión, muchos casos de Massachusetts se vincularon a la conferencia.
Los investigadores analizaron luego miles de genomas virales de pacientes en Massachusetts y otros lugares. Un genoma viral llevaba una firma genética única rastreable hasta un asistente europeo a la conferencia. Coincidía con virus que circulaban por Europa, pero también tenía una mutación adicional que parecía haber surgido durante el viaje del asistente a Boston o al inicio de la conferencia.
Como esa secuencia alterada solo apareció en personas con vínculos directos o indirectos con la reunión, sirvió como marcador genético para la cepa de Covid-19 originada en la conferencia Biogen. Al compararla con otras secuencias virales en bases de datos nacionales, los investigadores rastrearon la cepa asociada a la conferencia en 29 estados y varios otros países.
Las entrevistas y el rastreo de contactos por sí solos no podrían haber dejado tan clara esa cadena de infección porque la gente puede no saber exactamente cuándo estuvo expuesta, especialmente cuando las infecciones se propagan a través de encuentros breves, viajes o reuniones grandes.
Cuando los genomas se incorporan a la investigación
La secuenciación genómica ha reescrito la historia de las enfermedades al ofrecer a los científicos una forma de leer el propio historial de cambios de un patógeno.
Puede vincular tumbas antiguas con pandemias posteriores y rastrear un brote moderno desde una sala de conferencias hasta casos a lo largo de un continente.
Pero la mayor fortaleza de la secuenciación genómica radica en la colaboración. La secuenciación no sustituye la historia, la arqueología ni la investigación de salud pública. Les da un nuevo socio molecular.
Combinar el trabajo de estos campos produce un relato más completo y preciso de cómo se mueven las enfermedades en el mundo.
*Marc Zimmer Profesor de Química en el Connecticut College.
Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation/Reuters
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