La toma de huellas dactilares ha transformado las investigaciones policiales al hacer posible ubicar a un sospechoso en la escena del crimen con evidencia física. De manera similar, la secuenciación del genoma ha cambiado la forma en que los detectives de enfermedades estudian las epidemias al permitirles leer los genes de un patógeno como un registro biológico de dónde se origina y cómo se propaga.
Una forma de pensar en la secuenciación es pensar en el genoma de un virus o bacteria como un libro de recetas. Cada gen es una receta para producir una proteína. Cuando los científicos secuencian un patógeno, leen la secuencia de 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 muestras recolectadas de diferentes lugares y momentos, los investigadores pueden determinar qué infecciones están relacionadas y estimar cuándo y dónde ingresó el patógeno a la población.
Los científicos han utilizado la secuenciación de esta manera para rastrear brotes de COVID-19, Ébola, viruela y enfermedades transmitidas por alimentos. Esta información ayuda a los investigadores de salud pública a conectar casos que de otro modo podrían parecer no relacionados.
La secuenciación del genoma ayuda a los investigadores a rastrear variantes del virus.
Sin embargo, la secuenciación genómica tiene limitaciones. Puede mostrar que diferentes cepas de patógenos están relacionadas, pero no puede explicar completamente por qué un brote comenzó en un lugar, por qué se propagó en una dirección particular o cómo el comportamiento humano moldeó su curso. Responder a esas preguntas requiere combinar datos genómicos con registros históricos, artefactos arqueológicos, registros comerciales y estudios epidemiológicos.
Soy químico y autor de Enfermedades sin fronteras: plagas, pandemias y más allá, un libro para jóvenes sobre enfermedades infecciosas y la forma en que han dado forma a la historia humana. En mi investigación, descubrí que si bien el genoma puede ayudar a los investigadores a seguir el rastro evolutivo de los patógenos, se necesitan otros campos para explicar las condiciones ambientales que permitieron que este rastro se convirtiera en una epidemia.
El ADN antiguo cuenta sólo una 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 el registro fósil molecular metafórico de la evolución microbiana.
La peste negra, una de las pandemias más mortíferas de la historia, demuestra tanto el poder como los límites de la secuenciación.
La enfermedad infecciosa detrás de la peste negra, la peste, es 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 ha revelado la existencia de una forma I ancestral. pestis que aún no se ha adaptado a las pulgas.
Unos 2.000 años después, la bacteria realizó un importante cambio evolutivo: adquirió la capacidad de sobrevivir dentro de las pulgas y transmitirse entre humanos, ratas y otros mamíferos a través de las picaduras de pulgas. Ese cambio hizo que el patógeno fuera mucho más peligroso y ayudó a allanar el camino para las tres principales pandemias de peste que siguieron: la plaga de Justiniano de los siglos VI al VIII; la Peste Negra y oleadas posteriores desde el 1300 hasta el 1700; y la tercera pandemia desde el siglo XIX hasta mediados del XX.
Pero, ¿cómo y por qué apareció la plaga 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 cuadro de la pandemia de peste. El genoma reveló el linaje. Otras disciplinas proporcionaron contexto histórico y ambiental.
Dos cementerios del siglo XIV en el actual Kirguistán ofrecen un ejemplo sorprendente de cómo la evidencia histórica puede guiar la investigación genética sobre los orígenes de una pandemia.
El historiador Filip Slavin observó registros de archivo que indican un número inusual de lápidas de 1338 y 1339. Algunas de estas lápidas mencionaban específicamente la peste como causa de muerte.
Esa pista llevó a la siguiente fase de la investigación, donde la arqueóloga Maria Spirou y su equipo extrajeron y secuenciaron ADN antiguo de los restos esqueléticos de siete personas enterradas en las tumbas y encontraron rastros genéticos de Yersinia pestis en tres de los esqueletos. Estas cepas eran ancestros cercanos de la cepa asociada con la Peste Negra y ancestros de varias líneas modernas de I. pestis.
El mapa de arriba muestra la ubicación de las tumbas en el Kirguistán moderno, con las regiones del primer brote. pestis sombreada en azul. El mapa en la esquina inferior izquierda muestra lápidas, fechas de entierro y evidencia de infección por I. pestis en una parte del cementerio Kara-Đigač. El mapa en la esquina inferior derecha muestra el número anual de lápidas de los sitios arqueológicos de Kara-Đigač y Burana. Y el artefacto es una lápida del cementerio Kara-Đigač, parte de la inscripción “Esta es la tumba del creyente Sanmak”. (Él) murió de la peste.’ Spirou et al./Naturaleza, CC BI-SA
Este importante hallazgo todavía no era toda la historia. Eso podría explicar dónde comenzó la pandemia de peste negra, pero no cómo se propagó la enfermedad desde Asia hasta Europa. Los investigadores han encontrado una posible respuesta a esta pregunta en los artefactos enterrados en el sitio, que incluyen perlas del Océano Índico, coral del Mediterráneo y monedas extranjeras. Estos objetos indicaban que la región estaba conectada a redes comerciales de larga distancia.
Cuando se examinaron en conjunto lápidas, restos óseos, registros escritos y bienes comerciales, surgió una imagen más rica. Los investigadores podrían ubicar el patógeno en un momento y lugar específicos y vincularlo con las redes de movimientos humanos que pueden haber llevado la plaga hacia el oeste.
La secuenciación proporcionó un rastro biológico que reveló la identidad y el origen del patógeno. La historia y la arqueología han convertido ese rastro en una historia creíble.
Del ADN antiguo a las epidemias modernas
La secuenciación genómica no se limita a examinar casos de resfriado común. También es la herramienta elegida por los investigadores para comprender nuevas enfermedades.
Cuando aparecieron 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 colocó al nuevo virus en una familia conocida de patógenos.
Posteriormente, la secuenciación del genoma ayudó a revelar la escala de un importante evento de superpropagación: la conferencia Biogen 2020 en Boston.
La empresa de biotecnología Biogen reunió a unos 175 ejecutivos europeos y estadounidenses en un momento en que el COVID-19 apenas comenzaba a extenderse en Estados Unidos. En Europa, la COVID-19 también se ha intensificado: el norte de Italia informó de grupos transmitidos localmente apenas unos días antes de la reunión. Después de la reunión, muchos casos de Massachusetts se conectaron con la conferencia.
La Conferencia Biogen 2020 en Boston se considera un evento de gran propagación de COVID-19.
Luego, los investigadores analizaron miles de genomas virales de pacientes en Massachusetts y otros lugares. Un genoma viral llevaba una firma genética única rastreable hasta un participante europeo en la conferencia. Correspondía a los virus que circulaban en Europa, pero también tenía una mutación adicional que parecía haberse originado durante el viaje de los participantes a Boston o al inicio de la conferencia.
Debido a que esa secuencia alterada apareció solo en personas con conexiones directas o indirectas con la reunión, sirvió como marcador genético para la cepa de COVID-19 que se originó en la conferencia de Biogen. Al compararla con otras secuencias virales en bases de datos nacionales, los investigadores rastrearon la cepa asociada con la conferencia en 29 estados y varios otros países.
Las entrevistas y el rastreo de contactos por sí solos no pueden aclarar esa cadena de infección porque es posible que las personas no sepan exactamente cuándo estuvieron expuestas, especialmente cuando las infecciones se transmiten a través de encuentros breves, viajes o grandes reuniones.
Cuando los genomas se suman a la investigación
La secuenciación del genoma ha reescrito la historia de las enfermedades al brindar a los científicos una forma de leer su propio registro de los cambios de los patógenos.
Puede vincular tumbas antiguas con pandemias posteriores y rastrear una epidemia moderna desde una única sala de conferencias hasta casos en todo un continente.
Pero la mayor fortaleza de la secuenciación del genoma reside en la asociación. La secuenciación no reemplaza la historia, la arqueología o la investigación en salud pública. Esto les proporciona un nuevo socio molecular.
Combinando el trabajo de estas áreas se obtiene una imagen más completa y precisa de cómo se mueve la enfermedad en todo el mundo.
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