M. en C. Verónica Jiménez Jacinto, Dra. Alejandra Escobar Zepeda, Dra. Ernestina Godoy, Dra. Leticia Vega Alvarado, M. en C. Jerome Verleyen, Lic., Karel Estrada, Dr. Alejandro Sánchez-Flores
¿Quién no ha probado un taco? El taco fue la solución prehispánica que brindaron las mujeres mexicas para hacer el “itacate”, para que sus maridos llevaran la comida a su trabajo. El taco es uno de los platillos de comida rápida más importantes de la gastronomía de México, debido quizá a la facilidad de prepararlo y transportarlo. Un taco, para ser taco, requiere como ingrediente imprescindible una tortilla de harina de maíz o trigo que envuelve su contenido: desde unos granos de sal, un pedazo de carne asada o hasta un sofisticado guiso, como el mole. En cualquier ciudad o poblado de México es posible encontrar un negocio de tacos donde satisfacer el antojo primigenio del mexicano, pese al potencial riesgo de consumir alimentos mal manejados que puedan albergar patógenos, o bien, carne de dudosa procedencia. Mucha gente asegura que comer un taco en la calle puede ser de alto riesgo por la falta de higiene de quien los prepara. Por lo tanto, mientras se degusta un delicioso taco en cualquier esquina, siempre asalta la duda de qué es exactamente lo que estamos comiendo.
El ADN contiene toda la información de un organismo
Todos los componentes orgánicos de un taco provienen de organismos vivos de los que podemos extraer su ácido desoxirribonucleico (ADN). El ADN es una doble cadena formada por la combinación de cuatro bloques (bases nucleotídicas): Adenina, Guanina, Timina y Citosina, que se representan con las letras A, G, T y C, respectivamente. El orden en que se encuentran estos cuatro bloques en las cadenas de ADN determinan la forma y funciones del organismo que lo posee. Es decir, cualquier organismo, como las bacterias, gusanos, plantas y animales, tienen toda su información genética contenida en el mismo tipo de molécula: el ADN. Esta molécula contiene las indicaciones precisas para la generación de cada uno de los elementos moleculares estructurales y funcionales necesarios para la constitución de sus células. La secuencia de los cuatro bloques básicos, constituíos en genes, a su vez organizados en cromosomas de número variable según la especie, es decir, las secuencias que contienen toda la información genética de un organismo para llevar a cabo distintas funciones celulares, se le conoce como genoma, mismo que puede derivar en características y funciones (fenotipos) muy distintos.
La metagenómica
Durante el presente siglo, se han desarrollado metodologías de secuenciación masiva de ADN que nos permiten determinar con una alta confiabilidad la naturaleza del organismo del que proviene dicho material genético. Cuando la muestra es tomada de un sólo organismo, se identifica únicamente ADN de este, pero cuando analizamos un ambiente complejo (como un taco), se espera encontrar ADN de más de un organismo. Por ejemplo, en un trozo de queso conviven muchas bacterias diferentes por gramo. La metagenómica, proporciona estrategias que permiten estudiar y analizar los millones de secuencias provenientes de todos los genomas de los organismos que se encuentran en una muestra. Actualmente existen muchos proyectos de gran trascendencia dentro del área de la metagenómica y en este texto se pretende dar una visión de este proceso: supondremos que el objetivo es descifrar los ingredientes de un taco, no sólo los que se ven a simple vista, sino también aquellos microorganismos que, de manera natural o por descuidos en la cadena de producción, lo conforman. Por medio de la metagenómica, es posible detectar con certeza, la naturaleza del material genético de los organismos presentes en la muestra, y en el caso de los alimentos, más allá de lo que se puede identificar por medio del gusto (como la cebolla, el cilantro o la carne). Para los comensales, puede resultar decepcionante saber que los alimentos, pueden contener microorganismos patógenos (como Salmonella) que cuando pasan por el tracto gastrointestinal sin ser destruídos, pueden generar desde un ligero dolor estomacal hasta una infección muy aguda. Normalmente, no somos conscientes de la gran cantidad de bacterias y virus inofensivos (la mayor parte de las veces) que están presentes en un apetitoso taco placero. Otra sorpresa es suponer que la carne es de res o de puerco (de acuerdo al taquero) y bajo un escrutinio genómico puede resultar de… otro animal!
La Bioinformática
El análisis metagenómico requiere del apoyo de las ciencias computacionales. El uso de la Informática aplicada a la Biología se le conoce como Bioinformática y sus componentes son: 1) El desarrollo de algoritmos (programas) computacionales para el análisis de información biológica, como las miles de secuencias de biomoléculas como el ADN, el ARN o de las proteínas, búsqueda de patrones o secuencias comunes en diferentes especies, comparación o agrupamiento de secuencias con el fin de asignar funciones o propiedades, (sobre todo cuando no han sido previamente descritas). Esto se hace en base al parecido con las secuencias reportadas en las bases de datos y de las que conocemos la función, 2) El uso de computadoras conectadas entre sí, que potencian su capacidad y velocidad y que son conocidas como clusters (agrupación en español), y 3) Personal con una formación multidisciplinaria que le permita manejar las computadoras y los algoritmos para aplicarlos en el análisis e interpretación de los numerosos datos biológicos.
En el caso específico de los análisis metagenó- micos, la bioinformática ayuda a hacer reconstrucciones o ensambles de las secuencias extraí- das de las muestras de ADN, para luego hacer búsquedas masivas en grandes bases de datos donde se encuentra depositada toda la información disponible hasta el momento y finalmente determinar su función por similitud a lo ya descrito, tomando en cuenta ciertos valores estadísticos de confiabilidad.
El Centro Nacional para la Información de Biotecnología o NCBI por sus siglas en inglés (National Center for Biotechnology Information) tiene disponibles vía web más de 20 bases de datos con información biomédica y genómica que se puede consultar libremente. La información genómica de los organismos es proporcionada en varios formatos, la mayoría de tipo texto, que contiene las secuencias de ADN en términos de los 4 nucleótidos o bloques básicos del ADN (ATGC), así como información asociada a dichas secuencias, como son su función o su origen. El NCBI también ofrece herramientas bioinformáticas para llevar a cabo búsquedas de secuencias al comparar una secuencia de entrada contra todas las existentes, para determinar el origen o mayor similitud con lo reportado.
Y ¿cómo hacemos un análisis metagenómico?
Aunque es posible obtener ADN de un alimento cocinado, es más fácil obtenerlo de los ingredientes crudos en los que las células aún se encuentran íntegras, protegiendo el material genético que contienen. Las muestras extraídas de los ingredientes de un taco pueden ser preparadas para utilizar una de las múltiples tecnologías actuales para secuenciar fragmentos de ADN, que en términos generales pueden producir millones de secuencias en forma de archivos digitales de texto. Algunos ejemplos de secuencias reales que sirven para identificar organismos se encuentran en (http://uuab.unam.mx/Metagenoma. html#AnexoI).
Entonces, un taco, a nivel genómico, luciría como se muestra en la Figura 1.
En un análisis real, es posible reconstruir estas secuencias como resultado de un proceso bioinformático de ensamble, para tratar de obtener fragmentos de ADN lo más grandes posibles. Estos fragmentos reconstruidos, se comparan contra bases de datos como las de NCBI, usando programas como uno muy popular entre los científicos y que se llama Blast. La idea es encontrar “palabras” que correspondan a un organismo con el que se tenga mayor parecido. Estas “palabras” son en realidad los genes que codifican las proteínas que conforman a cada uno de los organismos en cuestión.
En algunas actividades de divulgación científica que desarrollamos con el público en general, analizamos los ingredientes de un taco. Se hizo una representación reducida de una base de datos genómica, a la que llamaremos “toy” (http:// uuab.unam.mx/Metagenoma.html#AnexoII), usando cuatro cajas de plástico donde se almacenaron las secuencias representativas de varios organismos vivos de acuerdo con su primer nucleótido (A, T, G o C), tal como se ejemplifica en la Figura 2.
Para cada una de las secuencias que se encuentran en el plato, el trabajo consistió en hacer un alineamiento contra las secuencias de la base de datos “toy”.
Cuando en la caja se localiza la secuencia con mayor similitud a la del plato, o sea, la secuencias de tu taco, se puede obtener de esa lámina el nombre científico del organismo al que pertenece, así como una imagen de dicho organismo.
Se debe estar preparado para encontrar secuencias inesperadas que pertenecen a organismos que pueden provocar infecciones como Salmonella o E. coli, o francamente indeseables, como las que pertenecen a cucarachas, moscas o humanos.
El taco, su metagenoma y cómo enseñar bioinformática
La Metagenómica y la Bioinformática son áreas que han tenido un auge durante el presente siglo, debido al gran número de aplicaciones. Una de ellas podría ser el análisis de los organismos que conforman un delicioso taco, alimento muy popular en la dieta de los mexicanos. Sin embargo, actualmente es relativamente caro utilizar esta tecnología para dicho fin, aunque en un futuro cercano podría ser utilizada por las autoridades de sanidad para evaluar este tipo de establecimientos.
El uso del material didáctico desarrollado en el ejemplo que describimos, permite a los niños, jóvenes y público en general, familiarizarse con un área, que es compleja, de una forma dinámica y divertida. La explicación de los pormenores de los fundamentos y métodos que implican un análisis metagenómico, se adapta de acuerdo con la edad y conocimientos previos del usuario. Por ejemplo, a los niños pequeños les encantó dibujar los ingredientes de su taco en una hoja que se colocaba en el plato, en lugar de escribir los nombres comunes y los científicos del material encontrado. Los estudiantes de preparatoria y licenciatura, se interesaban más por los procedimientos computacionales para llevar a cabo la tarea. Y a los padres de familia, les parecía muy interesante que ahora este tipo de análisis fuera posible. En todos los casos, la posibilidad de encontrar alguna bacteria dentro de los ingredientes les resultaba sorprendente y hasta, desde luego, desagradable. Fue una buena oportunidad para cambiar el paradigma de que las bacterias son sinónimo de enfermedades y que, en realidad, nosotros mismos tenemos una gran cantidad de microorganismos asociados a nuestro organismo y de vital importancia para mantenernos sanos (ver Biotecnología en Movimiento No. 5, pág. 30). Con esto, nuestro deseo es que todo tipo de público entienda el fundamento y la importancia de la ciencia y en particular de la bioinformática, que puede resultar muy útil en áreas como la salud y sanidad de alimentos. Todo este material didáctico, está disponible a través de las ligas mencionadas anteriormente y puede ser usado, compartido y modificado dando crédito a los autores (licencia Creative Commons de tipo Atribución – No Comercial – Licenciamiento Recíproco).
Contacto: vjimenez@ibt.unam.mx