Este científico excéntrico hizo posible la técnica de referencia para detectar la COVID-19

El bioquímico Kary Mullis afirma que iba conduciendo desde el Área de la Bahía de San Francisco hacia su cabaña en Mendocino en 1983 cuando, de repente, como un rayo caído del cielo de California, se le ocurrió una forma de localizar un tramo de ADN y sintetizar una cantidad enorme de copias.

«Esa técnica simple podría crear todas las copias que quisiera de cualquier secuencia de ADN que escogiera y todas las personas del planeta interesadas en el ADN querrían utilizarla», cuenta Mullis en su autobiografía de 1998, titulada Dancing Naked in the Mind Field. «Se extendería a todos los laboratorios de biología del mundo. Sería famosa. Yo ganaría el premio Nobel».

Mullis ganó el Nobel de Química de 1993 por inventar la reacción en cadena de la polimerasa, o PCR, por sus siglas en inglés. Recientemente, estas tres letras se han adentrado en la conciencia pública, ya que la PCR es la base de las pruebas de referencia más comunes para detectar el coronavirus SARS-CoV-2. Con todo, este es solo el uso revolucionario más reciente de la PCR. Desde su debut, se ha aplicado a tareas como la descodificación del genoma humano o la salvación de los arrecifes de coral.

«En cualquier tipo de estudio sobre el ADN, la PCR es lo que haces», afirma Eric Green, un investigador pionero en genómica. «Es casi como decir: ¿cómo usas la electricidad?».

Mullis, que falleció en agosto del 2019, narra los orígenes de la PCR en sus memorias como si fuera la historia de un genio que trabaja solo y que inventa sin ayuda una herramienta que inicia una nueva era de la biología. Pero aunque es verdad que Mullis tuvo el momento «eureka» original, hay mucho más tras la historia real de la PCR; por ejemplo, otros científicos ayudaron a convertirla en un motor biológico, a veces pese al temperamento difícil de Mullis.

Los comienzos de una reacción en cadena

Antes de la PCR, estudiar el ADN era complicado. Las moléculas de ADN contienen mucha información genética y resultaba difícil aislar el fragmento exacto que estudiar. Aunque un científico pudiera aislar una sección de interés, la cantidad de material era tan minúscula que no disponía de gran cosa para realizar experimentos.

Para sortear este obstáculo, la última tecnología en la década de 1980 era la clonación génica. En este proceso, los científicos introducían la secuencia genética deseada en los genomas de bacterias, que a continuación se dividían y se duplicaban tanto a sí mismas como al código genético introducido. Es un proceso eficaz pero laborioso, por eso algo más simple y rápido sería algo caído del cielo.

Tras aquel fin de semana decisivo en su cabaña, Mullis volvió a trabajar a la Cetus Corporation en Emeryville, California. Cetus fue una de las primeras empresas de biotecnología del mundo y por aquel entonces la cultura era más próxima a la de una startup tecnológica de Silicon Valley. Allí, varios equipos estaban explorando nuevas herramientas emocionantes para clonar genes y expresar proteínas que pudieran emplearse en aplicaciones médicas.

En Cetus, la labor principal de Mullis consistía en crear pequeños fragmentos de material genético para que otros científicos de la empresa los utilizaran en sus experimentos. Aunque su personalidad grandilocuente causaba conflictos personales con sus colegas y en una ocasión llegaron a las manos, su trabajo resultaba útil para Cetus.

Era «un grupo inusual de científicos jóvenes y toleraban a Kary», cuenta Paul Rabinow, antropólogo de la Universidad de California, Berkeley, y autor de Making PCR: A Story of Biotechnology.

En palabras de Rabinow, Mullis planteó la idea de la PCR a sus colegas. El proceso era simple y elegante: se calienta una molécula de ADN para separar la doble hélice en dos cadenas y se utiliza cada cadena como molde para crear una copia, de forma similar a cómo el ADN se desenrolla y se copia dentro de nuestras células. A continuación, se deja que la muestra se enfríe; normalmente, esto haría que las dos cadenas de ADN volvieran a su lugar, pero se puede interrumpir el proceso con un montón de secuencias cortas de ADN llamadas cebadores, el tipo de fragmentos genéticos con los que Mullis trabajaba para otros proyectos.

Estos cebadores, que se sintetizan fácilmente en un laboratorio, están diseñados para colocarse junto a la sección de ADN deseada e impedir que las dos cadenas originales vuelvan a unirse. Los lugares de las cadenas de ADN a los que se fijan los cebadores sirven como plataformas de aterrizaje para una enzima llamada ADN polimerasa. Esta recorre la cadena expuesta, haciendo que los componentes básicos del ADN denominados nucleótidos encajen en las posiciones correctas para reconstruir las cadenas complementarias.

Si empiezas con solo un fragmento de ADN, tendrás dos copias de la secuencia específica tras un ciclo de PCR. De nuevo, cada copia puede emplearse para fabricar más moldes. Tras solo 30 ciclos, habrá 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 de biología básicos, según sus colegas, así que inicialmente no pensaban que fuera a funcionar o no le prestaban atención. Pero Mullis siguió explorando la idea y el año siguiente fue capaz de traerles algunos datos experimentales que parecían demostrar que la reacción en cadena funcionaba. Esto llamó la atención de varios de sus colegas en Cetus, sobre todo del bioquímico Thomas White.

«Pensé que podía ser una estupidez o que quizá pudiera estar en lo cierto», afirma White. «Y si estaba en lo cierto, transformaría lo que intentábamos hacer allí».

Hacer que la PCR funcionara

White sentía debilidad por Mullis desde que se habían hecho amigos durante sus estudios de posgrado en la Universidad de California, Berkeley. Mullis había ayudado a White a reconstruir el motor de su coche y había ordenado a White pastor de la Iglesia de la Vida Universal. White le devolvió el favor oficiando la boda de Mullis con su segunda mujer. White había contratado a Mullis para trabajar en Cetus y acabó convirtiéndose en su jefe, ayudando a eliminar las tensiones cuando el ego de Mullis creaba fricción con sus compañeros.

White pidió a Mullis que se centrara exclusivamente en hacer que la PCR funcionara. Para finales de 1984, White y otros líderes de la empresa dudaban que tuviera pruebas suficientes, así que la empresa siguió añadiendo a científicos experimentales para igualar sus esfuerzos. Finalmente, el trabajo especializado de muchos colegas —en particular Stephen Scharf, Fred Faloona y Randall Saiki— proporcionó suficientes datos reproducibles para declarar la PCR un éxito.

Tras demostrar su validez, la prioridad fue publicar un artículo y, a la larga, conseguir una patente. Pero Mullis siguió posponiendo la redacción del artículo. La gente había dudado de él, cuenta White, y procrastinar era su venganza. Frustrado por la espera, Saiki coescribió un artículo publicado en 1985 en la revista Science acerca de una prueba para la anemia de células falciformes que incluía la primera descripción publicada de la PCR. Sin embargo, aquel artículo solo insinuaba su poder como técnica independiente.

White rogó a Mullis que terminara el artículo donde explicaba la PCR en detalle y, a la larga, Mullis lo hizo y lo presentó a la revista Nature. Fue rechazado. La revista Science también lo rechazó. Acabó publicándolo en 1987 en Methods in Enzymology.

Para entonces, Mullis había dejado Cetus, ofendido principalmente por el hecho de no haber sido el autor principal del artículo de Science, que era más prestigioso. Cuando se marchó, Cetus pagó a Mullis el salario de varios meses y una prima de 10 000 dólares, la más cuantiosa entregada por la empresa a un científico por un invento. Cetus conservó los derechos de la tecnología y, desde entonces, la principal aportación de Mullis al desarrollo de la PCR fue popularizar la técnica —y a sí mismo— en eventos como orador invitado y consultor.

A lo largo de su vida, Mullis negó que el VIH causara el sida, cuestionó la influencia humana en el cambio climático, dio charlas en las que incluía imágenes de mujeres desnudas e hizo comentarios machistas ante periodistas. White todavía recuerda su creatividad incuestionable, su ingenio agudo y su buen humor, pero lamenta que el mito se apoderara del hombre. «Mullis rechazó a todos sus antiguos amigos y colegas y nos menospreció», cuenta. «El premio Nobel se le subió a la cabeza».

Desbloquear el potencial de la PCR

Incluso antes de que Mullis se marchara, otros miembros del equipo de Cetus estaban trabajando para que la PCR pudiera utilizarse en laboratorios. Había dos problemas que volvían el proceso aparatoso. Para empezar, el calor necesario para realizar un ciclo degradaba la importantísima ADN polimerasa, la pieza necesaria para construir cada copia de ADN.

Antes de marcharse, Mullis había propuesto una solución: utilizar una polimerasa de microbios descubiertos en las aguas termales del parque nacional de Yellowstone. El razonamiento era que, si estos organismos eran capaces de vivir y reproducirse a altas temperaturas, sus ADN polimerasas debían de ser capaces de tolerar esos extremos. Así que David Gelfand, otro científico de Cetus, voló a Wisconsin para reunirse con el microbiólogo Thomas Brock. A finales de la década de 1960, Brock había aislado una especie de bacteria llamada Thermus aquaticus en las aguas termales de Yellowstone. La singular ADN polimerasa de esa especie era precisamente lo que necesitaban.

Por su parte, Shirley Kwok, una científica de Cetus, estaba aplicando la PCR al estudio del VIH, pero el proceso la estaba irritando. El ciclado de la muestra en regímenes de temperatura diferentes, realizado a mano, era tedioso y, en su caso, el trabajo tenía que hacerse en un centro de biocontención llevando equipo de protección individual. Entonces, un auxiliar de laboratorio llamado Robert Watson modificó un pequeño robot de pipeteo para que se encargara del termociclado. En la actualidad, los termocicladores automáticos basados en esta idea son corrientes en los laboratorios genéticos de todo el mundo.

Para finales de la década de 1980, la PCR estaba causando revuelo en la comunidad científica y en 1991 Cetus vendió los derechos de la PCR a Roche, que ahora es un gigante farmacéutico, por 300 millones de dólares. White acabó dirigiendo la división de las PCR en la empresa junto a más de cien científicos de Cetus que se llevó con él.

Desde entonces, los usos de la PCR han crecido exponencialmente, con numerosas adaptaciones para aplicaciones diversas. Diagnósticos médicos, criminalística, seguridad alimentaria, desarrollo de cultivos e incluso la búsqueda de los orígenes de la humanidad: las fronteras de estos campos y de muchos más se abrieron de par en par gracias al poder de la PCR.

La reacción en cadena continúa

A finales de la década de 1980, el investigador de genómica Eric Green estaba terminando un doctorado en la Universidad de Washington cuando oyó hablar por primera vez de la tecnología de la PCR. Unos años después, averiguó cómo utilizar la PCR para mapear el genoma humano y aprovechó la técnica para el Proyecto Genoma Humano, respaldado por el gobierno.

«El Proyecto Genoma Humano no podría haber salido adelante sin la PCR», afirma Green, que ahora es el director del Instituto Nacional de Investigación del Genoma Humano.

Y, por supuesto, muchas de las pruebas de COVID-19 que se realizan en la actualidad utilizan la PCR para amplificar fragmentos del código genético del virus SARS-CoV-2 a partir de hisopados, permitiendo detectar su presencia.

Una vía de progreso particularmente emocionante consiste en simplificar el hardware para que las PCR puedan utilizarse fuera de los laboratorios. «Estas máquinas solo calientan y enfrían la muestra», explica el genetista y experimentador autoproclamado Ezequiel Alvarez Saavedra. «Así que supuse que la gente no tenía que pagar tres [mil], cinco mil dólares o más para obtenerlas».

Con el neurocientífico Sebastian Kraves, Alvarez Saavedra fundó una empresa llamada miniPCR bio para crear algo más sencillo y barato. La innovación clave, según Alvarez Saavedra, consistió en cambiar el elemento de calor de semiconductores termoeléctricos a cables de cobre, de forma similar a las líneas que descongelan los parabrisas de los coches. Esto simplificó la construcción y le proporcionó más eficiencia energética. Ahora se puede pedir una máquina de PCR contenida en un recipiente transparente del tamaño de una caja de pañuelos por menos de mil dólares.

Alvarez Saavedra dice que muchos de sus clientes son educadores que quieren mostrar la belleza de la biología a sus alumnos. La PCR es «muy sencilla, una vez alguien te la enseña», afirma. «Esa es su belleza, es muy fácil entenderla».

Amy Apprill, ecóloga de microbios marinos de la Institución Oceanográfica Woods Hole, pasa mucho tiempo en las Islas Vírgenes de Estados Unidos estudiando la enfermedad de pérdida de tejido de coral duro, que deja a su paso esqueletos que parecen arrecifes de coral blanqueados. Esta enfermedad devastadora se identificó en la costa de Miami en el 2014 y desde entonces se ha propagado rápidamente por el Caribe. No se ha identificado la causa, pero podría ser algún tipo de bacteria.

«Como analizamos bacterias, que son un componente muy pequeño de la biomasa, necesitamos la PCR», afirma Apprill. La PCR crea abundancia a partir de la escasez y la reducción del tamaño de la máquina permite que Apprill estudie su cosecha microbiana en un AirBnB cercano.

«Hace que todo sea portátil y, para nosotros, esa es la clave», afirma Apprill. «Una no puede permitirse volar con un laboratorio entero a todos los proyectos sobre el terreno».

Y en el 2015, miniPCR bio se asoció con Boeing para organizar una competición que permitiría que los estudiantes realizaran un experimento de ADN en el espacio utilizando la máquina de PCR en miniatura. Anna-Sophia Boguraev, que entonces estaba en el instituto, presentó una propuesta y ganó, estableciendo la primera PCR realizada en el espacio como prueba de concepto para investigaciones futuras.

«Desde entonces, se ha utilizado cientos de veces», afirma Boguraev, que actualmente está en el programa de doctorado de Harvard y el Instituto de Tecnología de Massachusetts. «La era de la biología molecular en el espacio solo se ha acelerado».

En la actualidad está claro que, pese a sus relaciones conflictivas, la contribución de Mullis y sus colegas a la ciencia fue asombrosa e inspirará a generaciones de investigadores durante décadas.

Este artículo se publicó originalmente en inglés en nationalgeographic.com.