Un petit viatge per la Genòmica

La Biologia és la branca de la ciència que més ha evolucionat els darrers anys. Una de les branques de les Ciències de la Vida que està avançant més ràpidament és la Genòmica, crec que potser molts n’hem sentit la paraula però sabem realment què vol dir? Què estudia la Genòmica? Els Gens? Les malalties genètiques? Em proposo fer un petit viatge exploratori per centres de recerca a Catalunya que em permeti tenir una foto, una idea de què és la Genòmica, què s’investiga i cap a on va.

L’any 1832, Darwin va començar un dels viatges més coneguts de la història de la ciència, va salpar a bord del Beagle com a científic i naturalista. Darwin no havia destacat per ser un estudiant especialment brillant, però les seves observacions a les Illes Galàpagos li van permetre descriure una teoria amb unes idees completament noves. La seva aportació va ser molt  important pel fet de  trencar amb les idees preestablertes tal com havien fet altres investigadors abans en altres àmbits.

Els grans avenços de la humanitat, tenen a veure amb grans canvis de paradigma, grans canvis en la visió del món, juntament amb grans canvis tecnològics que fan avançar les idees. Què és més important l’invent de la roda o incorporar la teoria de la gravetat; la teoria de l’evolució de les espècies o el desenvolupament d’un microscopi electrònic? Doncs tal com expressa Sidharta Mukerjee al llibre ‘El Gen’, no podem separar uns fets dels altres:

“També a la història de la ciència i la tecnologia, els avenços semblen produir-se de dues maneres fonamentals. Hi ha canvis d’escala, en què l’avenç és bàsicament el resultat d’un canvi de tamany o d’escala ( el coet enviat a la lluna no és més que  un immens reactor apuntat verticalment al satèl·lit de la Terra). I hi ha canvis conceptuals, en els que l’avenç és fruit de l’aparició d’un nou concepte o idea radical. Però en realitat els dos modes no s’exclouen, si no que es reforcen mútuament. Els canvis d’escala permeten canvis conceptuals i els nous conceptes demanden noves escales.”

Aquests canvis importants estan ocorrent les darreres dècades en Biologia. Durant el darrer segle, s’han experimentat uns canvis molt importants en ambdós sentits, la tècnica ha permès avançar en la recerca en l’àmbit de la genòmica accelerant-ne els resultats obtinguts i per tant, obrint noves vies de recerca abans no imaginades.

Gen: Unitat d’herència, normalment composta per un o diversos trams d’ADN que codifiquen una proteïna o una cadena d’ARN

Genètica: La genètica és una branca de la Biologia que estudia l’herència i la variació en els organismes. A finals del s. XIX Mendel amb una sèrie d’experiments amb pèsols, en va establir les lleis més bàsiques. Estudia principalment les característiques o trets que es transmeten a la descendència.

Genoma: el genoma és tota la informació genètica present en un organisme ; inclou gens que codifiquen proteïnes, gens que no codifiquen proteïnes, les regions reguladores de gens, y zones de l’ADN que no se sap perquè serveixen. El seu estudi permet grans avenços en el coneixement del món dels éssers vius, és a dir, de la Biologia.

Genòmica: Neix molt més tard, està enfocada a fer mapes genètics, estudia la seqüenciació de l’ADN, l’anàlisi del genoma per parts o complert organitzant els resultats en bases de dades

La era de la Genòmica

Cap a meitat de la dècada dels 80 del segle passat es va començar a plantejar la possibilitat de seqüenciar de tot el genoma humà. En aquell moment no es veia gens clar, la tecnologia existent no semblava prou potent per acomplir els objectius d’aquell projecte llavors descomunal. El 15 i 16 de febrer de 2001, es van publicar respectivament els resultats del projecte Genoma Humà i del projecte paral·lel Celera, un es va publicar a Nature i l’altre a Science. Així doncs, el projecte Genoma Humà havia trigat més de 10 anys en tenir el genoma seqüenciat.

Amb la seqüenciació del genoma humà es va completar l’obtenció del ‘manual d’instruccions’ de l’espècie humana, ara bé, segurament faran falta molts anys per a saber-lo llegir, desxifrar-lo i entendre’l. Després del descobriment de l’ADN com a portador de la informació genètica, estudiar-lo directament és una de les maneres d’entrar a estudiar la base de la vida.

Actualment, estudiar el genoma permet abordar noves preguntes sobre àmbits diferents de la biologia. La rapidesa amb què avança la tècnica permet respondre preguntes que fins fa 10 anys potser no es podien respondre, o s’haurien trigat anys a analitzar les dades que permetien respondre aquestes preguntes.

Un petit viatge exploratori: la Genòmica

Em disposo doncs, a fer un petit viatge per a descobrir diferents àmbits de la Genòmica. Decideixo començar per una visita al Centre Nacional d’Anàlisi Genòmica, ubicat al Parc Científic de Barcelona; aquest espai dedicat a la recerca, està constituït per diversos edificis i pel que veig, a part d’alguns centres de recerca importants, està ple de petites empreses dedicades principalment a la Biomedicina.

Allà vaig a veure a la Mònica Bayés, actualment n’és la Gestora de Programes i Administració, “en realitat faig una mica de tot” em diu, “és un centre petit”. La Mònica ha vist néixer i créixer el Centre Nacional d’Anàlisi Genòmica, que existeix des de l’any 2010, és a dir no fa ni 10 anys. Hi treballen unes 70 persones de les que prop de la meitat fan recerca, i la resta fan serveis. “Sembla més gran” li dic jo, i em refereixo no només a la mida física sinó a la sensació de la feina que s’hi fa.

Ella ja va dirigir la Unitat de genotipació i seqüenciació massiva al Centre de Regulació Genòmica (CRG). Posteriorment, es va fer una aposta estratègica per crear un Centre Nacional de Genòmica que va impulsar la participació espanyola en un projecte internacional molt important sobre el genoma del Càncer ( el Consorci Internacional del Genoma del Càncer-ICGC).

La Mònica m’explica apassionadament que al CNAG s’hi fa recerca bàsica i també es dóna serveis a altres centres i institucions. Sobretot col·laboren amb altres grups de recerca, però també es seqüencien i analitzen dades per a hospitals, empreses productores de llavors; i s’analitzen genomes de microorganismes, de plantes, d’animals o fins i tot per a projectes en relació amb la biologia sintètica. Per a poder seqüenciar tots aquests genomes tenen unes màquines espectaculars, semblen unes caixes màgiques amb una pantalla on alguna cosa hi entra i en surt un munt d’informació. “A més a més de les  màquines de laboratori tenim un potent superordindor, per  calcular i per emmagatzemar les dades que generem.”

“Per a seqüenciar el genoma a nosaltres ens envien l’ADN del pacient o de l’organisme que es vol seqüenciar. En humans, normalment s’extreu a partir dels limfòcits de la sang, o de les cèl·lules d’un tumor si el que volem és estudiar les mutacions cancerígenes”. També es pot seqüenciar l’ARN, en aquest cas és important de quin teixit s’extreuen les cèl·lules. Ja que l’ARN conté la informació necessària que determina quines parts de la informació genètica s’activen o no en diferents teixits. De fet, això fa que, tot i provenir de la mateixa informació genètica al nucli de la cèl·lula, una neurona i un glòbul vermell, per exemple, siguin tan diferents entre sí.

Avenços recents en el laboratori i l’anàlisi ens permeten  seqüenciar l’ADN o l’ARN d’una sola cèl·lula, Single Cell Sequencing, en aquest cas s’agafa l’ADN o l’ARN de només una cèl·lula, s’amplifica i després es seqüencia i s’analitza. Aquesta tècnica obre la porta a estudiar amb detall què és el que passa en cadascuna de les cèl.lules d’un tumor, entre d’altres.

Ara que ja començo a tenir una idea més concreta del que és la genòmica, la Mònica em parla d’alguns dels projectes en els quals participen com a CNAG, com ara  el projecte internacional Human Cell Atlas. L’objectiu és determinar  els perfils d’expressió gènica, i també de proteòmica i metabolòmica de cada una de les cèl·lules del nostre cos, per tenir-ne el mapa complert.

Em comenta que la majoria de projectes del CNAG estan relacionats amb la salut humana, per exemple en el marc d’un projecte de la Comunitat de Navarra estan seqüenciant els genomes de 1000 pacients amb malalties rares i de càncer. L’acumulació de dades que se n’obté ha de servir per a millorar el diagnòstic i per a trobar el tractament més eficaç per a cada pacient, és el que s’anomena medicina personalitzada. Aquest tipus de projectes requereixen esforços de coordinació importants, amb sistemes per recollir, emmagatzemar i organitzar les dades per a què aquetespuguin ser més útils per a futures recerques o també per a usos clínics.

Mònica Bayés: Centre Nacional d’Anàlisi Genòmica

MBayes

La Mònica va estudiar Biologia i després de fer un doctorat i un postdoc a l’estranger. En tornar ja va dirigir les Unitats de genotipació i seqüenciació massiva al CRG. Treballa al CNAG des que es va fundar al 2010.

“Aquesta feina em permet fer coses noves contínuament, participar en projectes molt diversos amb tecnologies i eines que estant revolucionant  el sistema de salut.”

La Genòmica Evolutiva

Continuo el meu recorregut a l’altra punta de la ciutat, al costat del mar, i me’n vaig al Parc de Recerca Biomèdica de Barcelona. És un edifici envoltat de fusta que sembla un gran vaixell, i és al bell mig de la plaça Charles Darwin, tot plegat em sembla un bon homenatge. Aquí he quedat amb la Mar Albà que dirigeix un grup de recerca en Genòmica Evolutiva, és a dir, que utilitzen l’estudi del genoma per a estudiar l’evolució.

La Mar Albà m’explica l’avantatge de ser en un edifici  que  li permet estar molt a prop d’altres grups de recerca afins, i tenir  instal·lacions punteres en seqüenciació genòmica. Aquestes condicions li han permès perseguir una idea que ja va tenir fa uns anys i que a l’inici no acabava de creure ningú.

Fins fa 10 anys es creia que l’únic mecanisme de generació de nous gens, era la duplicació. És a dir, quan l’ADN es duplica, es pot duplicar algun gen, i hi pot haver alguna petita variació (mutació) i d’aquí pot sorgir un gen nou. Des de sempre s’havia vist que la informació genètica de diferents espècies en realitat tenia unes semblances prou importants per arribar a descriure que sempre es generaven nous gens a partir d’altres existents.

Al grup de Genòmica Evolutiva, estaven interessats en veure la rapidesa amb què canviaven alguns d’aquests nous gens, estudiant aquesta línia de recerca es van adonar que hi havia alguns gens que pertanyien a només una o a molt poques espècies. Aquesta troballa va fer pensar que el mecanisme de generació d’aquests nous gens difícilment era la duplicació, ja que les diferències eren massa importants per a què fossin degudes només a una alta velocitat de variació.

Malgrat que les seves troballes es recolzaven en alguns articles  ja publicats que reforçaven aquestes noves idees, van trobar moltes reticències i manca d’acceptació per part d’alguns científics especialistes. “Això va ser xocant doncs no m’havia passat mai abans” comenta la Mar.” Hi havia investigadors que no ho volien creure ja que era una idea completament nova i trencadora”. Ara, però, un temps després han pogut seguir en aquesta línia, i recentment han publicat un article a la revista ‘Nature Ecology and evolution’. En aquest article expliquen que en alguns casos la generació de nous gens es produeix a partir de les zones del genoma no codificants, és a dir, en comptes de provenir d’altres gens modificats per alguna mutació, provenen de la combinació de zones del genoma que prèviament no contenien informació rellevant per a la codificació.

Amb la Mar comentem la importància de visibilitzar la tasca de les dones en la ciència. Ella s’ha preocupat per aquest tema i em comenta una anècdota que fa pensar. M’explica que una vegada en escriure la llista d’autors d’un article científic es va adonar que tot eren dones i li va sorprendre. “Si haguessin estat tot homes no ens haguéssim sorprès. Per què ens sorprenem, doncs, de que només hi hagi dones?”. Les dones en ciència també tenen un sostre de vidre, malauradament, no és excepcional de la ciència sinó que és un problema de la societat en general.

Mar Albà: Genòmica Evolutiva

Mar_atwork_2018 (1)

La Mar Albà després d’estudiar i fer el doctorat en Biologia a la UB, va fer un Màster en Bioinformàtica quan gairebé ningú sabia què era al Birkbeck College, des de llavors s’ha dedicat a estudiar l’evolució a través del desenvolupament d’eines computacionals i l’estudi del genoma de les espècies.

“El que més m’agrada de la meva feina és quan sorgeix una nova idea. En aquell moment ho deixaria tot i només faria això, sorgeix la urgència per respondre aquella nova pregunta.”

La Genòmica Biomèdica

Després de parlar amb la Mar, me’n torno al Parc Científic de Barcelona. En comptes d’entrar a la torre alta on vaig anar a veure la Mònica, ara vaig a l’edifici del costat. Es diu edifici clúster, i és un nom molt escaient per a un grup de Bioinformàtica com el que vaig a veure. És el grup dirigit per la Núria López-Bigas, ella fa molts anys va emprendre un viatge semblant al que havia emprès Darwin. Després de fer el doctorat en genètica molecular de la sordesa, va començar l’aventura fer un Postdoc de Bioinformàtica a l’EBI, el centre més important de Bioinformàtica a nivell Europeu. “El canvi a la bioinformàtica va ser per a fer alguna cosa completament diferent i nova, i a la bioinformàtica se li veia molt de futur. El que tinc molt clar ara, és que el que no saps ho aprens. I aquella va ser una manera molt bèstia d’aprendre. Quan arribes a un lloc on ets el que menys en saps, tot és nou i per tant tens molt marge per aprendre.”

La Núria en va aprendre, i ara, al grup que dirigeix, ja fa més de 10 anys que s’han especialitzat en l’estudi del càncer des d’un punt de vista genòmic. Com que el grup és bioinformàtic l’objectiu principal és desenvolupar eines informàtiques que ajudin a respondre les preguntes científiques que el grup es fa. Des de ja fa uns anys una de les línies de recerca principals consisteix en analitzar el genoma de les cèl·lules tumorals, intentar determinar quines són les mutacions causants del càncer ( anomenades drivers) i d’aquesta manera determinar de forma més precisa les característiques del tumor de cada pacient en concret. Amb aquesta informació es poden desenvolupar eines que ajudin a prendre decisions terapèutiques personalitzades. Darrerament també estan estudiant els mecanismes de danys i reparació de l’ADN, ja que afecten fortament a la mutagènesi de les cèl·lules.

Un dels reptes més importants, ha estat incorporar un laboratori experimental com a complement a la recerca computacional que fa el grup. Per molt que s’avanci en recerca In silico ( així és com s’anomena als experiments que es duen a terme només amb ordinadors) sovint cal validar els resultats computacionals In Vivo, o convé generar dades pròpies al laboratori. Per exemple, al laboratori experimental han iniciat un experiment per validar algunes mutacions que de manera In silico han vist que podrien ser drivers, en aquest cas de la regió no codificant del genoma. S’inserta aquesta mutació en el genoma d’una cèl·lula amb la tècnica d’edició genètica CRISPR/cas9, que és un enzim que permet tallar l’ADN en una zona escollida prèviament, i a continuació miren si les cèl·lules amb aquesta mutació adquireixen propietats tumorals.

La Núria em comenta que una de les coses que voldria remarcar de la recerca del grup és que es fa recerca bàsica no aplicada. Però, que també ho combinen amb el desenvolupament d’eines informàtiques amb aplicacions clíniques. Per exemple, el Cancer Genome Interpreter, és una eina informàtica dissenyada per ajudar a interpretar les dades genòmiques del càncer per part d’altres investigadors o per part de metges. “M’agrada el fet de ser un grup que combina la  vessant de recerca bàsica amb una vessant més aplicada, i també que utilitza eines computacionals combinades amb eines experimentals; el fet de fer recerca computacional o experimental no és tant important, aquestes són eines que serveixen per contestar preguntes i en cada cas s’agafa les eines més adequades”.

Núria López-Bigas: Genòmica Biomèdica

NURIA_LOPEZ5

La Núria va estudiar Biologia i després de fer un doctorat en el laboratori va decidir canviar l’enfocament i dedicar-se a la Bioinformàtica. Des de llavors el focus principal de la seva recerca és estudiar el càncer des d’una perspectiva genòmica.

“L’important de la biologia bàsica és que no té perquè servir per res, simplement ha de servir per a generar coneixement, pel que servirà ja es veurà en el futur.”

La Genòmica i el Futur

Acabo el meu petit viatge i he après moltes coses. De totes les coses que he après en destacaria una: la ciència evoluciona igual que evoluciona la natura. Hi ha milers de canvis petits que fan que a la llarga una espècie estigui més adaptada a l’entorn. La recerca produeix gran quantitat de coneixement, que fa que comprenem cada cop més bé la natura que ens envolta. Sovint, són moltes aportacions petites que per si soles semblen insignificants, però són aportacions molt valuoses, imprescindibles, per a què la humanitat segueixi avançant en el coneixement de la natura i de la vida.

També he après que a Catalunya s’hi fa recerca de primera i que hi ha un munt de centres de recerca pioners en biomedicina. No sé segur si en la Biologia hi haurà algun canvi de paradigma aviat, però el que sí que m’he adonat és que estem en un moment de canvi d’escala pel que fa a l’estudi dels genomes. no sabem si això desembocarà amb algun nou concepte important, però el que està clar és que cada cop tenim més informació i coneixement de la nostra pròpia naturalesa com a humans.

Com va expressar John Sulston, biòleg i premi Nobel que va tenir un paper fonamental en el projecte Genoma Humà: ” La capacitat de llegir aquesta seqüència del nostre genoma té tots els ingredients d’una paradoxa filosòfica. Pot un ésser intel·ligent comprendre les instruccions per a fer-se a si mateix?” Segurament no trigarem gaires anys a comprendre quasi completament aquestes instruccions, i llavors potser ja no estarem davant d’un canvi de paradigma, però segur que estarem davant d’un repte filosòfic i ètic que serà clau per a la ciència i per a la humanitat.

 

Advertisements