A José Nelson Onuchic le gusta moverse libremente entre diferentes temas que investigación. “Lo maravilloso de la vida académica es poder estudiar lo que uno quiera”, declaró en la entrevista concedida a Pesquisa FAPESP el 9 de octubre.
Investigador de la Universidad Rice, en Estados Unidos, Onuchic estuvo de visita en Brasil. Vino para participar en un simposio sobre temas de actualidad en biofísica molecular y visitó el Centro Nacional de Investigaciones en Energía y Materiales (CNPEM), de Campinas, donde funciona la fuente de luz sincrotrón Sirius, para proponer un acuerdo de colaboración. Está interesado en traer al país una técnica de secuenciación de genomas desarrollada por sus colaboradores en Estados Unidos y en utilizar Sirius para analizar la estructura tridimensional de los genomas.
Hijo de profesores universitarios, los matemáticos Nelson Onuchic [1926-1999] y Lourdes de La Rosa Onuchic, quien a sus 93 años aún se mantiene activa, José Nelson se graduó en ingeniería eléctrica en 1980 y en física en 1981 en la Universidad de São Paulo (USP), en la ciudad de São Carlos.
Tras completar el doctorado en el Instituto de Tecnología de California (Caltech), bajo la dirección del físico John Hopfield, ganador del Nobel de Física de 2024, retornó fugazmente a São Carlos antes de convertirse en profesor de la Universidad de California en San Diego (UCSD). Allí, comenzó a estudiar el plegamiento de las proteínas y, junto a sus colaboradores, propuso dos conceptos que lo convirtieron en una referencia en este campo. En 2011 se mudó a Rice, en Texas, donde inició una línea de investigación sobre el cáncer. A los 66 años, lleva publicados más de 400 artículos científicos que acumulan 45.000 citas en otros trabajos, y es director adjunto del Centro de Física Biológica Teórica, que realiza estudios en áreas ubicadas en la frontera del conocimiento. Pueden leerse a continuación los tramos principales de la entrevista.
En octubre, usted participó en un simposio sobre biofísica molecular en São Paulo. ¿De qué habló en su intervención?
De la estructura del genoma, de cómo éste se organiza en el núcleo de las células. La mayor parte del tiempo, la molécula de ADN [que alberga los genes y los tramos no codificantes de las proteínas] adopta la forma de cromatina, el ADN ligeramente enrollado en torno a las proteínas. La estructura tridimensional de la cromatina es importante para controlar qué genes se leerán y cuándo. La misma puede ocultar algunos genes y exponer otros a la maquinaria de lectura de las células. Los libros convencionales de genética molecular no hablan de la estructura tridimensional de esta molécula, un conocimiento que va cambiando rápidamente.
En 2016 publicó un artículo en la revista PNAS que hablaba precisamente de cómo cambia la estructura del ADN y permite la lectura del gen, ¿verdad?
Exactamente. Empezamos a trabajar en este campo con Erez Aiden, de la Baylor College of Medicine, quien utiliza una técnica llamada Hi-C contact map, que permite identificar, por ejemplo, tramos de cromatina que se encontraban distantes en la molécula de ADN, pero espacialmente cerca en la cadena plegada. Utilizamos este mapa de contactos en dos dimensiones para generar la estructura 3D de la cromatina. El modelo ha evolucionado y, en la actualidad, ya no necesitamos Hi-C. Ahora tomamos segmentos compuestos por 50.000 pares de bases del genoma, de 10 veces el tamaño de un gen, y separamos cada segmento por categorías. En la versión más simple del modelo, dividimos la cromatina en dos categorías: eucromatina, a la que llamamos A, menos condensada y más fluida, que contiene más genes expresados, y heterocromatina, a la que denominamos B, más plegada y con menos información genética. El modelo también utiliza información de la técnica ChIP-seq, que estudia cómo están asociadas las proteínas al ADN, para obtener información epigenética, es decir, del patrón de activación de los genes, y poder clasificar los tipos de cromatina.
¿Cómo funciona?
El modelo consta de cuatro partes. Tres de ellas son más importantes. En primer lugar, consideramos que el ADN es un polímero soft, que puede recortarse, como ocurre naturalmente a causa de ciertas proteínas. A continuación, el modelo separa los tipos A y B por similitud. Los tipos A tienden a agruparse con los A y los tipos B, con los B. La tercera parte es el cromosoma ideal, en el que las secciones espacialmente cercanas a la cadena tienden a atraerse. Esto crea contactos locales, que generan compactación y formación de hélices. Al aumentar los contactos locales, se evita la formación de nodos. Esto reviste importancia en el caso de los cromosomas. Cuando sus tramos se expresan necesitan desenrollarse y no es deseable que aparezcan nodos. La forma en que la cromatina se pliega logra evitarlo. Se dice que parte de la compactación local es motorizada, es decir, promovida por proteínas. El 95 % del tiempo, la célula se encuentra en interfase, cuando la cromatina se encuentra desplegada y se duplica. El 5 % restante entra en fase de mitosis, la división celular. En la mitosis, la compactación aumenta y el cromosoma se pliega más. Nuestro modelo muestra que, al aumentar la motorización, también se incrementa la compactación y la formación de hélices.
¿Todo esto es gobernado por las características químicas y eléctricas de las moléculas?
Así es, pero debe recordarse que el genoma posee funciones muy específicas, que deben preservarse debido a su conformación. El genoma tiene que tener la capacidad de ser transcrito [leído por la maquinaria de las células y codificado bajo la forma de ARN], de duplicarse y de dividirse. Aunque los modelos lo tratan como un polímero, al igual que las proteínas, la funcionalidad del genoma y la de las proteínas es distinta. Las proteínas son más rígidas, mientras que el genoma es más maleable. Estamos trabajando para dilucidar la importancia de las características estructurales del genoma para su función. Esto ya se ha hecho en el caso de las proteínas. Durante mucho tiempo se trabajó en el plegamiento de las proteínas para poder definir su estructura. Pero, en el fondo, lo que se quiere saber es cuál es la función de las proteínas.
Pero en el caso de las proteínas la estructura define la función, ¿no es así?
Muchos manuales de biología hablan de la relación entre la estructura y la función. Pero entender la función es algo más complicado. Muchas proteínas tienen varias estructuras. Algunas son ordenadas. Otras son desordenadas y se ordenan cuando se unen a otra molécula. Cuando comenzamos a determinar las primeras estructuras proteicas, empezamos por las más sencillas, las enzimas, cuya estructura está bien definida. En ellas, la función está estrechamente asociada a la forma. Pero las proteínas son mucho más diversas que eso. La capacidad de estos polímeros formados por la combinación de 20 tipos de aminoácidos de asumir estructuras diferentes es asombrosa. Pueden ser enzimas, señalizadores, fibras, etc.
¿Cómo ayudan los físicos a los biólogos a entender esta complejidad?
La cuestión del plegamiento de proteínas puede analizarse de dos maneras. El biólogo pregunta: dada una secuencia de aminoácidos, ¿puede determinarse la estructura y la función de la proteína? Como físico, lo planteo de forma diferente: partiendo de una secuencia de aminoácidos, ¿puede saberse si una proteína tiene o no una estructura definida? Yo estoy más interesado en saber qué diferencia a una proteína de un polímero aleatorio de aminoácidos. Desde esta perspectiva, en 1992 propuse [en un artículo publicado en la revista PNAS, firmado en coautoría con Peter Leopold y Mauricio Montal, de la Universidad de California en San Diego] el concepto de embudo o túnel de plegamiento. En 1995, Paul Wolynes, Joe Bryngelson, Nicholas Socci, Zaida Luthey-Schulten y yo acabamos de darle forma al concepto de paisaje de energía.
¿Qué plantean esas propuestas?
Existía una paradoja sobre el plegamiento que venía arrastrándose desde la década de 1960. Con base en el estudio de pequeñas proteínas globulares, se supuso que se pliegan y adoptan su configuración final cuando alcanzan un estado de energía mínima. Pero las proteínas pueden adoptar una cantidad tan grande de configuraciones que tardarían mucho tiempo en asumir ese estado. Un polímero aleatorio tiene varios estados mínimos de energía, estructuralmente muy diferentes. En las proteínas, propusimos la idea de que no basta con tener un estado más atractivo que los demás. Tiene que ser más atractivo para permitir encontrar la estructura deseada y menos atractivo para aquellas que no se deseen. El número de estados favorables disminuye a medida que se acercan a la estructura más estable.
¿De ahí la idea del embudo?
Así es. También hay un concepto que llamamos entropía de configuración. Si una proteína se encuentra por encima de su temperatura de plegamiento, habrá varios estados posibles. Si está por debajo, habrá un estado más estable que empieza a prevalecer. Este estado posee suficiente energía de atracción como para compensar la entropía de configuración contra la que compite. En otras palabras, hay una temperatura en la que la energía prevalece sobre la entropía. Pero se pretende que esta temperatura que propicia el plegamiento se alcance antes de que la molécula de la proteína adopte lo que se conoce como estado vítreo y pierda movilidad, quedando atrapada allí, como en una trampa. La idea del paisaje de energía plantea que existe un estado atractivo mucho más profundo que el de las trampas. Es posible deducir muchas cosas de las proteínas partiendo de esta hipótesis: si la proteína se pliega, logra optimizar una estructura estable por sobre las demás. Basándome en esta idea, parto de la estructura de la proteína y creo un modelo en el que todos los estados [estables] son atractivos y los estados no nativos son repulsivos. Con este modelo es posible entender todas las transiciones y todos los estados intermedios del plegamiento. En un artículo publicado este año en la revista Science, mi equipo y el de Paul Whitford, de la Universidad Northwestern, colaboramos con el de Walther Mothes, de la Universidad Yale. Mediante el uso de tomografía electrónica criogénica, Mothes definió las estructuras que adopta la proteína de la espícula del nuevo coronavirus al invadir las células. Pero las estructuras obtenidas eran de baja resolución. Nosotros ya habíamos elaborado un modelo de la invasión celular y observamos que nuestras configuraciones de la espícula eran muy similares a las que ellos obtuvieron. Entonces decidimos trabajar juntos para confeccionar un modelo que combinara los datos experimentales con nuestras simulaciones.
¿Y a qué conclusión llegaron?
La proteína de la espícula se encuentra en la superficie del coronavirus. Cuando se adhiere al receptor en la superficie de las células humanas, experimenta transformaciones estructurales que acortan la distancia entre la membrana del virus y la de las células.
¿Este mecanismo ya había sido observado en otros virus?
La primera proteína en la que lo detectamos fue la hemaglutinina, del virus influenza, el virus de la gripe.
Es difícil de observar porque todo está siempre en movimiento.
Por eso tuvimos que utilizar anticuerpos que se unen a los estados intermedios de la espícula para estabilizarse. Eso es lo que nos interesa. Si tengo un anticuerpo que se une a un estado intermedio, puedo modificarlo para que interrumpa la transición a su estado final. Si conseguimos bloquear esta transición, acaso podamos impedir que el virus entre en las células.
Usted participó recientemente en un estudio sobre el genoma del mamut lanudo. ¿Qué descubrieron?
Los científicos que iniciaron el proyecto llevaban años trabajando en el mismo y, en la etapa final, tenían que hacer el modelado con los datos, así que nos convocaron. Tuvieron que desarrollar estrategias para recoger muestras del material genético del espécimen, que llevaba 52.000 años congelado. Cuando las obtuvieron, elaboraron un mapa de Hi-C y notaron que había ciertas estructuras preservadas. Este ADN se congeló y se secó. Aunque el cromosoma estaba roto en varios fragmentos, estas piezas no se habían movido mucho y la estructura 3D del ADN se conservó parcialmente. Con el Hi-C y el modelado, logramos recuperar esa estructura.
Utilizamos información del genoma de los elefantes para reconstituir el genoma del mamut lanudo
¿Cómo colaboró su grupo?
Dijimos: “Aunque este ADN tiene 52.000 años, creemos que las reglas de su organización y la forma en que los distintos tramos se conectan siguen siendo las mismas”. Así que decidimos examinar el genoma de sus primos, los elefantes. Utilizamos información del genoma de los elefantes para reconstruir el del mamut lanudo. Luego, utilizando nuestros modelos del genoma, logramos reducir bastante el nivel de distorsión de la muestra y generamos la estructura del genoma en tres dimensiones. A continuación, observamos qué partes del genoma del mamut eran más activas y cuáles menos. También vimos qué regiones genéticas eran activas en el mamut y no lo son en el elefante. Una es la que estimula el crecimiento del pelo, mucho más abundante en los mamuts. Esto indica que lo que hicimos era coherente.
¿Qué le parece el panorama actual de la investigación científica en Brasil?
Estamos prestando poca atención a la investigación básica. No enfocarse en ella es quemar el futuro. La ciencia básica es el resguardo de la capacidad intelectual de la sociedad, mientras que la importancia de la ciencia aplicada radica en que genera riqueza. En el mundo actual, la seguridad nacional se asocia más al control del conocimiento que al poderío militar. En Brasil, todos quieren registrar patentes. La cantidad de patentes innecesarias generadas en el país es impresionante. No dejan de ser importantes, pero el control del conocimiento debe valorarse más.
¿No ocurre lo mismo en todo el mundo?
No. En Estados Unidos registramos patentes esporádicamente. Todos sabemos que proteger buenas patentes no es sencillo. Es caro, necesitas un equipo jurídico para protegerla. Hay que ser selectivo. Pero este cuadro forma parte del proceso de aprendizaje. Teníamos una ley de protección intelectual débil en Brasil. Estamos aprendiendo.
¿Cuántas patentes genera su grupo cada año?
Una patente cada cuatro o cinco años y unos 15 artículos por año. Lo que vale para las patentes también vale para los artículos científicos. Hay una tendencia a concentrarse en las cifras de la producción científica o de las patentes cuando se asciende a un investigador. Pero yo pregunto: “¿Alguien leyó los artículos? ¿Sabe de qué tratan? ¿Cuál es el impacto del trabajo?”. Es fácil obtener estas cifras. Forma parte del proceso, pero creo que las cosas van por buen camino.
¿En Brasil también?
Particularmente en Brasil. La calidad de la ciencia brasileña ha mejorado considerablemente. Existen varios grupos que han dejado de ser seguidores y ahora compiten de igual a igual a nivel internacional. Esto se aplica, por ejemplo, a buena parte de los Cepid [los Centros de Investigación, Innovación y Difusión financiados por la FAPESP].
En los próximos días visitará el Sirius, en Campinas. ¿Qué irá a hacer?
Voy a entrevistarme con Antônio José Roque da Silva, el director general del CNPEM [Centro Nacional de Investigaciones en Energía y Materiales] y con investigadores del Laboratorio Nacional de Biociencias. Estamos interesados en establecer una cooperación entre nuestro grupo y el de Erez Aiden con el CNPEM. Queremos aprovechar la ventana de oportunidad de Sirius, cuya capacidad pocos lugares del mundo igualan. Sirius puede obtener tomografías en una resolución que no logran otros dispositivos. Pretendemos utilizarlo para realizar tomografía de genomas.
Estamos prestando poca atención a la investigación básica. No enfocarse en ella es quemar el futuro
¿Qué pretenden encontrar en el genoma?
Dos de nuestros colaboradores, Erez Aiden y Olga Dudchenko, están desarrollando un proyecto denominado DNA Zoo. Pretenden secuenciar el ADN de varias especies de plantas y animales. El reto de secuenciar los genomas de estas especies radica en que para ellas no existe ninguna referencia. Al secuenciar estos genomas habrá muchos errores. Dudchenko ha concebido una estrategia que se vale de la técnica Hi-C [que permite conocer qué partes se encuentran espacialmente próximas] para corregir los errores durante la alineación. Es una secuenciación mucho más barata. Ella y Aiden están utilizando esta estrategia para secuenciar los genomas de diversas especies. Queremos transferirles esta tecnología aquí, para secuenciar el genoma de especies brasileñas.
¿Qué podrá verse con la luz sincrotrón?
Podrá verse el genoma en tres dimensiones dentro del núcleo de las células.
¿Por qué es esto importante?
El genoma es espectacular. Durante la división celular, sufre enormes cambios estructurales. Como físico, quiero saber si este sistema puede descoordinarse y formarse nuevamente o si posee una memoria que le permita salir del estado en que se encuentra en interfase, pasar al de la mitosis y volver. Si tiene memoria, ¿cómo funciona? ¿Qué consecuencias acarrea? ¿Cuáles son los mecanismos de control?
¿Qué lo incitó a trasladarse de la Universidad de California a Rice?
Fueron varios los motivos. En la ciencia, como todo en la vida, se pasa por una crisis de la mediana edad. Mi paso por San Diego me deparó muchas cosas buenas. Llegué en 1990, me dieron un cargo como profesor, que allí se conoce como tenure, en 1992, y el puesto de profesor titular en 1995. En 2006 fui electo como miembro de la Academia Nacional de Ciencias. Tenía 54 años, había hecho muchas cosas en el campo de las proteínas y pensé: “Si sigo aquí, seguiré haciendo esto por el resto de mi vida. ¿Qué tal si cambio?” Por entonces, en Rice me ofrecieron la oportunidad de iniciar estudios sobre el cáncer y el Instituto de Prevención e Investigación del Cáncer de Texas (CPRIT), asignó a nuestro centro un presupuesto de 10 millones de dólares para iniciar un proyecto teórico sobre el cáncer.
¿Sobre qué tratan sus investigaciones en el área del cáncer?
Desarrollamos modelos del metabolismo trabajando con redes genéticas. Cuando llegué allí, empecé a trabajar con Eshel Ben-Jacob [de la Universidad de Tel Aviv, en Israel] y propusimos un modelo para explicar la activación de genes que lleva a las células a volverse invasivas en el cáncer durante la transición epitelio-mesenquimal. En la misma, las células epiteliales [estáticas, como las de la piel o las que recubren los órganos internos] sufren alteraciones bioquímicas y adquieren las características de las células mesenquimales [capaces de migrar e invadir tejidos]. Demostramos que esta transición se rige por la interacción entre un gen y un micro-ARN. Esta interacción permite generar estados híbridos, en los que las células presentan características tanto epiteliales como mesenquimales en simultáneo. Demostramos que esto puede ocurrir cuando las células están sometidas a estrés. Las células híbridas son capaces de moverse y adherirse, creando clústeres, conglomerados que son más difíciles de destruir.
