La molécula de ADN o ácido desoxirribonucleico está conformada por una doble cadena en forma de hélice; a cada lado tiene nucleótidos que se complementan y unen ambas cadenas: Adenina (A) es complementaria con Timina (T) y Citosina (C) con Guanina (G) (Figura 1). Se conoce como secuenciación de ADN a un conjunto de métodos analíticos que determinan el orden de los nucleótidos a lo largo de la cadena de ADN. El primer método de secuenciación fue desarrollado por el bioquímico británico Frederick Sanger y permitió secuenciar el genoma del virus bacteriófago Phi-X174 en 1977, el cual contiene 11 genes y 5.386 nucleótidos. Este método permite secuenciar unos cientos de nucleótidos. Actualmente es posible secuenciar genomas completos a través de un conjunto de tecnologías llamadas Secuenciación de Nueva Generación o NGS, por sus siglas en inglés. Estas son más complejas, pero tienen la ventaja de secuenciar simultáneamente miles de millones de fragmentos de ADN.
Por lo tanto, en función del método, la secuenciación puede realizarse a lo largo del genoma completo de una especie, de un cromosoma, de un gen o de una parte de él. También se puede analizar el ADN de un organelo celular, como la mitocondria en animales y el cloroplasto en las plantas. Con ambas herramientas se ha logrado estudiar el genoma de muchas especies además de nuestro propio ADN, p. ej. de plantas, insectos, reptiles, mamíferos, entre otros. Esta información está abierta al público en la base de datos de secuencias genéticas de los Institutos Nacionales de Salud de EE. UU., mejor conocida como GenBank (https://www.ncbi.nlm.nih.gov). Sin embargo, existen otras bases de datos en las que se pueden consultar secuencias de genes o de genomas.
Para entender mejor los métodos de secuenciación, imagina que el ADN es un manual de instrucciones que incluye la construcción y el funcionamiento de un ser vivo. Se requiere mucha información para esto, por lo que dicho manual podría contener más de 3 mil millones de letras (A, T, C, G). Con la tradicional secuenciación Sanger podemos leer unas cuantas oraciones o un párrafo de ese gran manual. Por ejemplo, podemos leer las instrucciones de una molécula que permite que las células produzcan energía a partir de los alimentos (ADN mitocondrial del gen Citocromo Oxidasa c Subunidad 1, COI). Si aplicamos la secuenciación Sanger a múltiples individuos o especies, sería como si leyéramos un párrafo específico de distintos manuales. Así veríamos que, en función del individuo, la población o la especie, algunas letras (nucleótidos) son diferentes. Estos cambios podrían explicar por qué cada especie funciona o responde de forma distinta a un mismo estímulo.
Por otro lado, con las tecnologías de NGS se puede fotocopiar y leer de forma masiva un manual o varias partes de él de forma simultánea y en poco tiempo. Imagina que tomas uno de estos manuales (ADN genómico de una especie) y lo metes en una trituradora, que lo cortará en millones de trocitos de frases. Posteriormente, pasas por un gran escáner (secuenciador) cada uno de los trocitos de papel (ADN genómico en fragmentos muy pequeños). Finalmente, un programa informático unirá todos los trozos (como un rompecabezas gigante) comparándolos con un manual de referencia (un genoma conocido de una especie cercana a la que analizamos) para reconstruir el libro completo (genoma completo de la especie de estudio). Aunque las herramientas de NGS son más económicas por nucleótido secuenciado, su precio es más elevado por análisis en comparación con la secuenciación Sanger. Por ello, es fundamental saber elegir la herramienta apropiada en función de los objetivos a investigar, las preguntas a responder y el presupuesto disponible (Tabla 1).
La secuenciación Sanger se ha utilizado con éxito para identificar especies en productos animales, p. ej. en el contrabando de carne de ballena. Debido a que está prohibida para su venta, en algunos países es “camuflada” en productos de alto consumo. Con muestras de carne de ballena obtenidas en mercados, en los que se sospecha que hay venta ilegal, se puede extraer ADN para amplificar y secuenciar un gen (p. ej. Citocromo b de ADN mitocondrial), que nos permite determinar si se trata o no de carne de ballena. Esto se hace comparando la secuencia obtenida con las que ya existen en la base de datos de GenBank. Incluso se puede determinar de qué especie se trata (Figura 2). En las ciencias biomédicas, las tecnologías de NGS se han vuelto la fuente de datos principal para comparar el genoma de personas sanas y enfermas, y así detectar la causa de enfermedades, p. ej. de múltiples tipos de cáncer. Estas tecnologías también se emplean para predecir nuevos fármacos a partir del análisis de los genes presentes en muestras de plantas. En ecología, se utilizan con frecuencia para el análisis de muestras ambientales de agua, suelo o aire, y así identificar la presencia de especies animales, vegetales o de microorganismos tanto benéficos como perjudiciales para la salud.
Los acelerados avances tecnológicos que han estado ocurriendo durante las últimas décadas con relación a la secuenciación de ADN, han permitido que novedosas preguntas puedan ser estudiadas y respondidas. Además, nuevas tecnologías continúan siendo desarrolladas para secuenciar el ADN de forma más precisa, barata e incluso empleando fragmentos cada vez más largos. Si el desarrollo de estas tecnologías continua a este ritmo, es probable que durante el siglo XXI logremos secuenciar cromosomas enteros sin necesidad de fragmentarlos. Así, el análisis de datos de NGS será más sencillo y accesible para investigadores de múltiples disciplinas.
1Biología Evolutiva, Instituto de Ecología A.C.
2Departamento de Biología, Universidad de Concordia.