Conoce al excéntrico científico detrás de las pruebas PCR

El bioquímico Kary Mullis dice que estaba conduciendo desde el Área de la Bahía hasta su cabaña en Mendocino en 1983 cuando, de repente, como un relámpago caído del cielo de California, se le ocurrió una manera de identificar un tramo particular de ADN y sintetizar una cantidad enorme de copias.

"La técnica simple haría tantas copias como quisiera de cualquier secuencia de ADN que eligiera y todos en la Tierra que se preocuparan por el ADN querrían usarla", relata Mullis en su colorida memoria de 1998 titulada Dancing Naked in the Mind Field (Bailando desnudo en el campo mental). “Se extendería a todos los laboratorios de biología del mundo. Sería famoso. Conseguiría el Premio Nobel".

De hecho, Mullis ganó el 1993 Premio Nobel de Química por inventar la reacción en cadena de la polimerasa o PCR. Estas tres letras se han disparado recientemente a la conciencia pública porque la PCR es la base de las pruebas estándar de oro más comunes para el coronavirus SARS-CoV-2. Pero ese es solo el último uso revolucionario de la PCR. Desde su debut, se ha aplicado a tareas que van desde ayudar a decodificar el genoma humano hasta salvar arrecifes de coral.

"Si estás haciendo algún tipo de estudio de ADN, la PCR es justo lo que hace", dice un investigador pionero en genómica Eric Green. "Es casi como decir: ¿Cómo se usa la electricidad?"

Mullis, quien murió en agosto de 2019, relata los orígenes de la PCR en sus memorias como la historia de un genio más grande que la vida que lo hace solo e inventa una herramienta que inicia una nueva era de la biología. Pero si bien es cierto, Mullis tenía el original "¡eureka!" En este momento, hay mucho más en la historia real de la PCR, incluidos los otros científicos que ayudaron a convertirla en una potencia biológica, a veces a pesar del temperamento difícil de Mullis.

Inicio de una reacción en cadena

Antes de la PCR, estudiar el ADN era difícil. Mucha información genética está empaquetada en moléculas de ADN y aislar exactamente el pequeño fragmento correcto para estudiar fue complicado. Incluso si un científico pudiera aislar una sección de interés, la cantidad de material a menudo era tan minúscula que simplemente no había mucho disponible para experimentos.

Para evitar esto, el estado del arte en la década de 1980 fue la Clonación de ADN. En este proceso, los científicos colocaron la secuencia genética deseada en los genomas de las bacterias, que luego se dividieron y replicaron tanto ellos mismos como el código genético introducido. Es un proceso poderoso pero laborioso, por lo que algo más simple y rápido sería una ganancia inesperada.

Después de ese fatídico fin de semana en su cabaña, Mullis regresó a trabajar en Cetus Corporation en Emeryville, California. Cetus fue una de las primeras empresas de biotecnología del mundo y la cultura en ese momento estaba más cerca de lo que podría encontrar hoy en una startup tecnológica en Silicon Valley. Allí, varios equipos estaban jugando con nuevas y emocionantes herramientas para clonar genes y expresar proteínas que podrían usarse para aplicaciones médicas.

El trabajo principal de Mullis en Cetus era fabricar pequeñas tiras de material genético para que otros científicos de la empresa las usaran en sus experimentos. Si bien su personalidad bombástica lo llevó a conflictos personales con sus colegas, incluidos puñetazos en una ocasión, su trabajo fue útil para Cetus.

Era "un grupo inusual de jóvenes científicos y toleraban a Kary", dice Paul Rabinow, antropólogo de la Universidad de California, Berkeley, y autor de Haciendo PCR: Una historia de biotecnología.

Según cuenta Rabinow, Mullis llevó la idea de la PCR a sus colegas. El proceso fue elegante y simple: calienta una molécula de ADN para separar la doble hélice en dos hebras y usa cada hebra como plantilla para hacer una copia, muy parecido a cómo el ADN se desenrolla y se copia a sí mismo dentro de nuestras células. Luego dejas enfriar la muestra; esto normalmente haría que las dos hebras de ADN volvieran a encajar en su lugar, pero puede secuestrar el proceso con muchos tramos cortos de ADN llamados cebadores, justo el tipo de fragmentos genéticos con los que Mullis estaba trabajando para otros proyectos.

Estos cebadores, que se sintetizan fácilmente en un laboratorio, están diseñados para hacer clic junto a la sección específica de ADN y evitar que las dos hebras originales vuelvan a unirse. Los lugares en las hebras de ADN donde se unen los cebadores sirven como pistas de aterrizaje para una enzima llamada ADN polimerasa. Avanza por la hebra expuesta, rompiendo los bloques de construcción de ADN conocidos como nucleótidos en las posiciones correctas para reconstruir las hebras complementarias.

Si comienzas con una sola pieza de ADN, tendrás dos copias de tu secuencia objetivo después de un ciclo de PCR. Cada copia se puede volver a desenrollar para hacer más plantillas. Después de solo 30 ciclos, tendrás más de mil millones de copias, todas de una molécula de ADN.

Mullis era conocido por sus ideas excéntricas, muchas de las cuales tenían errores básicos de biología según sus colegas, por lo que la gente inicialmente no pensó que funcionaría o no le importaba. Pero Mullis siguió jugando con la idea y al año siguiente pudo traerles algunos datos experimentales que parecían mostrar que la reacción en cadena estaba funcionando. Esto llamó la atención de varios colegas de Cetus, especialmente la del bioquímico Thomas White.

"Pensé, Hmm, podría ser una tontería, pero en realidad podría tener razón", dice White. "Y si tiene razón, transformará lo que estamos tratando de hacer aquí".

Haciendo que la PCR funcione

White había tenido una debilidad por Mullis desde que se hicieron amigos cercanos en la escuela de posgrado en UC Berkeley. Mullis ayudó a White a reconstruir el motor de su automóvil y lo ordenó como ministro de Vida Universal. White le devolvió el favor presidiendo la boda de Mullis con su segunda esposa. White había contratado a Mullis para trabajar en Cetus y terminó siendo su jefe, lo que ayudó a disipar las tensiones cuando el ego de Mullis molestaba a sus compañeros de trabajo. 

White le pidió a Mullis que se concentrara exclusivamente en hacer que la PCR funcione. A fines de 1984, White y otros líderes de la compañía todavía no creían que tenían suficiente evidencia, por lo que la compañía siguió agregando científicos experimentales paralelos a sus esfuerzos. El hábil trabajo de muchos colegas, en particular de Stephen Scharf, Fred Faloona y Randall Saiki, finalmente arrojó suficientes datos replicables para declarar que la PCR fue un éxito.

Con la prueba de concepto demostrada, obtener una publicación y, finalmente, una patente se convirtió en la máxima prioridad. Pero Mullis siguió posponiendo la redacción del artículo. La gente había dudado de él, dice White, y postergar el papel fue su venganza. Frustrado por la espera, Saiki fue coautor de un artículo de 1985 en la revista Science sobre una prueba para la anemia de células falciformes que incluía la primera descripción publicada de la PCR. Sin embargo, ese documento solo insinuaba su poder como técnica independiente.

White le suplicó a Mullis que terminara su artículo explicando la PCR en detalle y Mullis finalmente lo hizo y lo envió a Nature . Fue rechazado. La ciencia también lo transmitió. Terminó  publicándose en 1987 en Methods in Enzymology.

Para ese entonces, Mullis había dejado Cetus, agraviado principalmente por el hecho de que no era el primer autor del más prestigioso artículo de Science . Al despedirse, Cetus le pagó a Mullis un salario de unos meses y un bono de $ 10.000, el mayor monto que la compañía había otorgado a un científico por un invento. Cetus retuvo los derechos de la tecnología y a partir de entonces, la contribución de Mullis al desarrollo de la PCR fue sobre todo popularizarla —él mismo— en conferencias invitadas y presentaciones de consultoría.

Durante su vida, Mullis también negó que el VIH causa el SIDA, cuestionó la influencia humana en el cambio climático, dio charlas con imágenes de mujeres desnudas e hizo comentarios sexistas a los periodistas. White todavía recuerda su incuestionable creatividad, agudo ingenio y buen humor, pero lamenta cómo el mito se apoderó del hombre. “Mullis rechazó a todos sus antiguos amigos y colegas y simplemente nos menospreció”, dice. "El Premio Nobel se le subió a la cabeza".

Liberar el potencial de la PCR

Incluso antes de que Mullis se fuera, otros miembros del equipo de Cetus estaban trabajando para que la PCR estuviera realmente lista para el laboratorio. Dos problemas todavía hacían que el proceso fuera complicado de realizar. Para empezar, el calor necesario para realizar un ciclo degradaba ese ADN polimerasa tan importante, la pieza necesaria para construir cada copia de ADN.

Antes de irse, Mullis había propuesto una solución: usar una polimerasa de los microbios descubiertos en las piscinas hirvientes del Parque Nacional de Yellowstone . El pensamiento era que si estos organismos pueden vivir y replicarse a altas temperaturas, sus ADN polimerasas deben ser capaces de tolerar tales extremos. Entonces David Gelfand, otro científico de Cetus, voló a Wisconsin para encontrarse con el microbiólogo Thomas Brock. A finales de la década de 1960, Brock había aislado una especie de bacteria amante del calor llamada Thermus aquaticus de las piscinas termales de Yellowstone. La ADN polimerasa única de esa especie terminó siendo exactamente lo que se necesitaba.

Mientras tanto, Shirley Kwok, una científica de Cetus, estaba aplicando la PCR para estudiar el VIH, pero estaba molesta con el proceso. Hacer cíclicamente la muestra a través de diferentes regímenes de temperatura a mano fue tremendamente tedioso y, en su caso, el trabajo tuvo que realizarse en una instalación de biocontención con equipo de protección personal completo. Fue entonces cuando un técnico llamado Robert Watson modificó un pequeño robot interno para gestionar el ciclo térmico. Hoy en día, los termocicladores automáticos basados en la idea son estándar en los laboratorios de genética de todo el mundo.

A fines de la década de 1980, la PCR estaba haciendo olas en la comunidad científica y, en 1991, Cetus vendió los derechos de la PCR a lo que ahora es el gigante de la salud Roche por $300 millones. White terminó dirigiendo la división de PCR allí, junto con más de cien científicos de Cetus que se llevó consigo.

Desde aquel entonces, el uso de la PCR se ha multiplicado exponencialmente, con numerosas adaptaciones para diversas aplicaciones. El diagnóstico médico, el análisis forense, la seguridad alimentaria, el desarrollo de cultivos, incluso la búsqueda del origen de la humanidad: los límites de todos estos campos y más se abrieron de par en par con el poder de la PCR.

La reacción en cadena continúa

El investigador de genómica Eric Green estaba terminando un doctorado en la Universidad de Washington en St. Louis a fines de la década de 1980 cuando escuchó por primera vez sobre la tecnología de PCR. Unos años después, descubrió cómo utilizar la PCR para mapear el genoma humano . Pronto fue elegido para hacer precisamente eso como parte del Proyecto Genoma Humano, respaldado por el gobierno.

"No hay forma de que el Proyecto Genoma Humano pudiera haber tenido éxito sin la PCR", dice Green, quien ahora es el director del Instituto Nacional de Investigación del Genoma Humano.

Y, por supuesto, muchas de las pruebas de COVID-19 que se llevan a cabo en la actualidad utilizan la PCR para amplificar partes del código genético del virus SARS-CoV-2 a partir de muestras tomadas con hisopos, lo que permite que las pruebas detecten su presencia.

Un camino a seguir particularmente emocionante es simplificar el hardware para que la PCR se pueda utilizar fuera de un laboratorio. “Estas máquinas, en realidad, todo lo que hacen es calentar y enfriar una muestra”, dice el genetista y experto en bricolaje Ezequiel Álvarez Saavedra. "Así que pensé que la gente no necesita pagar tres [mil], cinco mil dólares o incluso más para obtener esto".

Junto con el neurocientífico Sebastián Kraves, Álvarez Saavedra inició una empresa llamada miniPCR bio para crear algo más simple y económico. La innovación clave, dice Álvarez Saavedra, fue cambiar el elemento calefactor de semiconductores termoeléctricos a cables de cobre, similares a las líneas que descongelan el parabrisas de un automóvil. Esto hizo que toda la construcción fuera más simple y más eficiente energéticamente. Ahora puedes pedir una máquina de PCR alojada en un recipiente transparente del tamaño de una caja de pañuelos por menos de mil dólares.

Álvarez Saavedra dice que muchos de sus clientes son educadores que desean mostrar la belleza de la biología a los estudiantes. La PCR es "muy simple, una vez que alguien te lo muestra", dice. "Esa es la belleza, es muy fácil de entender".

Amy Apprill, ecologista microbiana marina de la Institución Oceanográfica Woods Hole, pasa mucho tiempo en las Islas Vírgenes de los Estados Unidos estudiando la enfermedad de pérdida de tejido de coral pétreo, que deja tras de sí esqueletos que parecen arrecifes de coral blanqueados. Esta devastadora enfermedad se identificó por primera vez frente a la costa de Miami en 2014 y desde entonces se ha extendido rápidamente al Caribe. La causa no ha sido identificada, pero podría ser algún tipo de bacteria.

“Debido a que estamos buscando bacterias, que constituyen un componente realmente pequeño de la biomasa, realmente necesitamos confiar en la PCR”, dice Apprill. La PCR genera abundancia de la escasez y la reducción de la máquina le permite a Apprill estudiar su cosecha microbiana en un AirBnB cercano.

“Hace que todo sea portátil, y para nosotros eso es clave”, dice Apprill. "No puede permitirse el lujo de llevar todo su laboratorio a todos sus diferentes proyectos de campo".

Y en el año 2015, miniPCR bio se asoció con Boeing para organizar una competencia que permita a los estudiantes realizar un experimento de ADN en el espacio utilizando la máquina de PCR miniaturizada. Anna-Sophia Boguraev , que estaba en la escuela secundaria en ese momento, presentó una propuesta y ganó, estableciendo el primer ensayo de PCR realizado en el espacio como prueba de concepto para futuras investigaciones.

"Desde entonces, se ha utilizado cientos de veces", dice Boguraev, que actualmente se encuentra en el programa de doctorado de Harvard. "La era de la biología molecular en el espacio solo se ha acelerado".

Hoy en día está claro que, a pesar de sus relaciones conflictivas, Mullis y sus colegas hicieron una contribución asombrosa a la ciencia, una que probablemente inspirará a generaciones de investigadores en las próximas décadas.