Per Juan Rodríguez i Marco di Stefano (Membres de l’equip científic de GENIGMA)
Alguna vegada t’has preguntat com els equips científics estudien el càncer en el laboratori? Com és possible reproduir un sistema biològic en miniatura per a entendre com funciona el cos? Com es prova l’eficàcia de nous medicaments?
Laboratoris de tot el món duen a terme les seves recerques utilitzant línies cel·lulars, també conegudes com a cultius cel·lulars. Han existit molts anys, permetent a equips científics trobar noves troballes que d’una altra manera haurien estat inconcebibles. Gràcies a les línies cel·lulars, hem aconseguit avanços importants per al desenvolupament de la vacuna contra la polio, provat l’eficàcia de noves quimioteràpies, avançat els processos de clonació cel·lular i fins contribuït per al desenvolupament de la fecundació in vitro. Alguns d’aquestes troballes van ser reconeguts pels premis Nobel. Les vacunes contra el Covid-19 que usem avui es van desenvolupar i van provar per primera vegada gràcies als cultius cel·lulars que els equips de recerca tenien disponibles, la qual cosa els va permetre reproduir infeccions de manera segura en un entorn realista.
Com a eina de recerca, els cultius cel·lulars són excepcionals en les ciències de la vida i han evolucionat a passos de gegants des de principis del segle XX.
Però t’estaràs preguntant… què té a veure un videojoc com Genigma amb tot això? Per a respondre a aquesta pregunta, hem de viatjar al passat.
El concepte i origen dels cultius cel·lulars
El concepte de cultiu cel·lular es refereix al procés mitjançant el qual les cèl·lules es conreen en un entorn artificial favorable. Una vegada que les cèl·lules han estat aïllades del teixit viu, es mantenen sota condicions meticulosament controlades. Els avantatges d’usar línies cel·lulars són múltiples, per exemple:
- • Permetre la reproducció de cèl·lules en un entorn favorable i biològicament rellevant per a la recerca
- • Oferir una alternativa a l’experimentació amb animals en el laboratori
- • Es poden mantenir durant anys (fins i tot congelats!)
- • Responen als medicaments i tractaments de manera semblant a les cèl·lules del cos
Els principis bàsics per als cultius de cèl·lules animals i vegetals in vitro es van desenvolupar a principis del segle XX, basant-se en la formulació de la teoria cel·lular de finals del segle XIX, que va formar la base de la recerca biològica, amb tres postulacions:
1. Tots els éssers vius estan composts per una o més cèl·lules
2. La cèl·lula és la unitat bàsica de l’estructura i organització en els organismes
3. Les cèl·lules sorgeixen de cèl·lules preexistents
L’ embriòleg alemany Wilhelm Roux va demostrar en 1885 que és possible mantenir les cèl·lules vives fora del cos durant dies usant solució salina. Va observar que les cèl·lules neurales de les cèl·lules d’embrions de pollastre continuaven “treballant” fora del cos.
Des d’aquest moment, el procés de generació de cultius cel·lulars ha continuat desenvolupant-se, amb la primera línia cel·lular, la línia cel·lular “L929”. Aquesta, establerta per Earle en 1948, encara existeix en l’actualitat: es va derivar del teixit subcutani de ratolí i mostra una morfologia bastant diferent respecte a la de l’origen del teixit.
Com es conreen les línies cel·lulars en un laboratori?
Per a establir una nova línia cel·lular, els equips científics generen un cultiu primari, obtingut directament dels teixits o òrgans. Les cèl·lules creixen fins a ocupar tota la superfície d’una placa de cultiu i després deixen de créixer. Després d’aquest primer pas, es traslladen a una nova placa de cultius (subcultiu) i el procés comença de nou: a partir d’aquest moment, les cèl·lules es poden considerar un cultiu cel·lular o una línia cel·lular.
La tècnica de subcultiu va permetre obtenir línies cel·lulars a partir de cultius primaris, de manera anàloga al que fem amb la massa mare per al pa o el llevat de quefir per al iogurt. Els cultius de cèl·lules primàries s’inicien principalment a partir de teixits adults i/o embrionaris normals o malignes. Per exemple, les cèl·lules canceroses d’una biòpsia d’un pacient amb càncer es poden conrear en una placa i es pot establir una línia cel·lular.
Les línies cel·lulars establertes a partir de teixits normals creixen fins a un cert punt. Per contra, les línies cel·lulars obtingudes de teixits cancerosos proliferen indefinidament (després de tot, aquest és el tret natural del càncer). No obstant això, les cèl·lules normals també poden immortalitzar-se utilitzant procediments de laboratori rutinaris, cosa que significa que, en condicions particulars que siguin òptimes, poden reproduir-se per sempre.
Limitacions de les línies cel·lulars
Encara que s’utilitzin en diferents estudis, l’ús de línies cel·lulars també té alguns desavantatges i limitacions.
Un desavantatge important és que el nombre d’aberracions genètiques en les línies cel·lulars augmenta amb el temps. Una altra és que la resposta d’una línia cel·lular cap a un fàrmac pot no ser 100% igual a la resposta real del pacient. Malgrat tot, l’ambient de cultiu cel·lular en una placa de plàstic és òbviament diferent al del tumor original en el cos. A causa de les condicions de cultiu, les propietats naturals del tumor o teixit poden perdre’s, alterant les possibles respostes del tumor als tractaments.
La contaminació creuada de cultius cel·lulars amb una altra línia cel·lular és un altre tema particularment important. Això pot ocórrer en un laboratori que treballa amb diverses línies cel·lulars. Quan creus que estàs observant un determinat fenomen en una línia cel·lular, podria ser que s’hagi contaminat amb una altra diferent.
Les infeccions bacterianes són un altre problema que pot canviar les propietats d’un cultiu i arruïnar la línia. Un altre problema és que no tots els tipus de tumors es poden convertir en línies cel·lulars, la qual cosa fa que algunes recerques sobre el càncer esbiaixin cap a l’ús de línies cel·lulars fàcils de conrear.
Si bé no puguem resoldre tots els problemes que comporten, els avantatges superen als desavantatges.
La importància del repte Genigma
La informació genètica és el que fa que una cèl·lula es comporti i respongui d’una forma o una altra cap a estímuls o tractaments. Tot està codificat en l’ADN d’una cèl·lula; quan replicar, quan morir, quan activar programes genètics i reaccionar a un senyal extern.
Cada cèl·lula prové d’una altra cèl·lula. A mesura que les cèl·lules s’immortalitzen en cultiu, han de copiar tot el seu propi material genètic una vegada per divisió, un fenomen que ocorre tant íntegrament que probablement donarà lloc a errors de còpia i escriptura.
Imagina que has de copiar manualment la mateixa pàgina d’un llibre tots els dies durant anys i anys. Eventualment, es poden cometre petits errors tipogràfics, passar desapercebuts, propagar i amplificar els errors. En uns anys, és possible que la pàgina ja no se sembli en res a l’original.
És fàcil imaginar el que pot passar amb el material genètic d’una cèl·lula després de dècades de cultiu i, de fet, els equips científics saben que aquests errors estan pertot arreu en les línies cel·lulars. En alguns casos, fins i tot s’han duplicat cromosomes complets (imatge 1). Per als cultius de cèl·lules canceroses, això és particularment pronunciat, ja que la malaltia es caracteritza per processos en els quals la cèl·lula perd el control, parts del genoma es reorganitzen, dupliquen o eliminen, ja sigui com a causa o conseqüència de la malaltia.
Figura 1. Esquerra: cariotip humà normal (conjunt de cromosomes en una cèl·lula). Dreta: cariotip de línia cel·lular. S’observa com el cariotip normal té els 23 parells canònics de cromosomes, mentre que la línia cel·lular ha sofert duplicacions i delecions cromosòmiques completes, que ja no tenen res semblança a l’original.
Quan els equips científics treballen amb línies de cèl·lules canceroses, interpreten els seus descobriments usant un mapa genòmic, que els diu, entre altres coses, on estan situats els gens que han estudiat en l’ADN de la cèl·lula. Aquest mapa és el que es coneix com la seqüència de referència del genoma.
Per a la majoria dels estudis, s’usa una seqüència de referència canònica del genoma humà per a navegar a través dels paisatges genòmics de les cèl·lules i interpretar els seus resultats. Aquests mapes, en principi, haurien d’estar lliures dels errors que hem esmentat, però en realitat, usar aquests mapes seria com navegar pels carrers d’una ciutat usant un mapa de fa 150 anys. Usant Barcelona com a exemple, podríem situar la mar i la muntanya que voregen la ciutat, però molts barris o carrers creats posteriorment, ampliats o demolit durant aquest període de temps ens la deixarien irrecognoscible. El mapa ja no seria útil per a moure’s.
Això és exactament el que volem fer amb Genigma: construir un mapa genòmic precís i personalitzat de les línies de cèl·lules canceroses més utilitzades, que reflecteixi tots aquests canvis en el panorama genètic de les línies cel·lulars de càncer. I com podem fer-ho? Amb l’ajuda de la genòmica tridimensional (pots llegir més sobre això aquí) i l’ajuda de la poderosa metodologia de la ciència ciutadana, amb la qual farem servir el poder computacional del cervell de moltes persones per a resoldre alguns dels problemes més complexos i emocionants de la biologia.
Figura 2: Així ha canviat el mapa de Barcelona al llarg dels últims ~150 anys. Imatges del Museu d’Història de Barcelona (MUHBA).
Humans versus màquines: ‘intel·ligència de ramat’ i ‘intel·ligència artificial’
Les màquines i els algorismes informàtics poden ser de gran ajuda per a resoldre problemes biològics com el que abordem en Genigma. No obstant això, tenen les seves limitacions i no poden funcionar amb tota la precisió que requeriria una tasca tan aclaparadora. Per exemple, doni un cop d’ull a la imatge de baix.
Amb un cop d’ull ràpid, pots diferenciar el que són gossos d’altres coses?
Figura 3: Algunes imatges poden confondre a les màquines, però no als cervells…
Òbviament! Això és immediat per a la majoria de les persones. Però, quins són els patrons únics que estàs detectant en la cara d’un gos que reconeix el teu cervell? Expressar això en paraules no és tasca senzilla. Per exemple, les magdalenes tenen nabius o trossos de xocolata que podrien confondre’s amb els ulls foscos i nassos de les cares de gossos, però alguna cosa et diu que els trossos en les magdalenes no estan en una posició anatòmica. De la mateixa manera, les cares dels gossos són clares i marrons, però també ho són la massa de les magdalenes.
Si haguéssim de construir un algorisme per a fer aquesta tasca, hauríem d’introduir el concepte de “gos”. És extremadament costós ensenyar amb precisió aquest concepte a un algorisme, amb tot el que implica. Hi ha massa conceptes, tant tangibles com abstractes, conscient o inconscientment, que el nostre cervell processa abans d’arribar a una resposta.
Llavors, com podem descriure un conjunt de conceptes complexos a una màquina, perquè retorni la resposta correcta, en el context correcte?
Aquest és un de les barreres principals per a l’ús dels algorismes per a generar seqüències genòmiques de referència. Poden funcionar bé, i són ràpids i precisos al principi, però després, en un nivell més detallat, poden confondre’s fàcilment i llançar resultats imprecisos. El nostre cervell pot processar una quantitat limitada d’informació per unitat de temps, mentre que les computadores poden treballar molt més ràpid. No obstant això, el cervell tendeix a funcionar millor quan s’enfronta a problemes de petita escala.
Així és que ens preguntem: què passaria si poguéssim dividir un gran problema en molts petits i després usar la intel·ligència de ramat de milers de cervells per a obtenir la solució per a cadascuna d’ells? D’aquesta idea, va sorgir Genigma.
Els cervells també poden ser propensos a l’error, però col·lectivament són poderosos. Si bé els algorismes sempre cometran els mateixos errors sistemàtics quan s’enfronten a un mateix desafiament, és menys probable que diferents cervells humans cometin els mateixos errors en els mateixos llocs. Aquesta intel·ligència de ramat és exactament el que volem explotar amb Genigma, amb la finalitat de reconstruir aquestes precioses i valuoses seqüències del genoma del càncer per a ajudar els investigadors a desenvolupar les seves estratègies terapèutiques guiades amb un mapa genòmic més precís.
