La promesa del código de barras de ADN para la taxonomía
El código de barras de ADN es un novedoso sistema diseñado para proporcionar identificaciones de especies rápidas, precisas y automatizables mediante el uso de regiones genéticas cortas y estandarizadas como etiquetas internas de las especies. En consecuencia, hará más accesible el sistema taxonómico de Linneo, lo que beneficiará a ecologistas, conservacionistas y a los diversos organismos encargados del control de plagas, especies invasoras y seguridad alimentaria. En términos más generales, el código de barras del ADN permite prever un día en el que todas las mentes curiosas, desde los biólogos profesionales hasta los escolares, tendrán fácil acceso a los nombres y atributos biológicos de cualquier especie del planeta. Además de asignar especímenes a especies conocidas, la codificación del ADN acelerará el ritmo de descubrimiento de especies al permitir a los taxónomos clasificar rápidamente los especímenes y destacar los taxones divergentes que pueden representar nuevas especies. Al aumentar sus capacidades de esta manera, el código de barras de ADN ofrece a los taxónomos la oportunidad de ampliar en gran medida, y eventualmente completar, un inventario global de la diversidad de la vida.
A pesar de los beneficios potenciales del código de barras de ADN tanto para los profesionales como para los usuarios de la taxonomía, ha sido controvertido en algunos círculos científicos (Wheeler, 2004; Will y Rubinoff, 2004; Ebach y Holdredge, 2005; Will et al., 2005). Algunos han llegado a calificar el código de barras de ADN de «antitaxonomía», argumentando que su aplicación supondrá la muerte de un sistema que lleva 250 años en funcionamiento. Creemos que esta oposición se debe a ideas erróneas sobre el esfuerzo de los códigos de barras de ADN. Por ello, agradecemos esta oportunidad de aclarar tanto los motivos como las posibles repercusiones del código de barras de ADN. Al responder a esta serie de preguntas, enfatizamos los múltiples impactos positivos de este enfoque para la taxonomía y la ciencia de la biodiversidad.
Preguntas
Dado dos mil millones de dólares estadounidenses (la cantidad que se estima que cuesta un programa completo de códigos de barras de ADN), ¿cómo gastaría este dinero para beneficiar la investigación taxonómica y de la biodiversidad, y cuál sería el legado de estos datos?
Esta pregunta ignora una realidad ineludible; no hay perspectiva de una sola infusión de 2.000 millones de dólares de apoyo a ningún programa de investigación sobre la biodiversidad. Es posible que en última instancia se consiga tal nivel de inversión, pero, de ser así, reflejará un proceso escalonado y geográficamente disperso de decisiones de financiación positivas que dependerán en gran medida tanto del progreso científico como de la demanda social de identificaciones a nivel de especie. La escasa financiación destinada hasta ahora a los códigos de barras de ADN ha producido una rica cosecha de conocimientos científicos. Este hecho ha llevado a nuevas organizaciones a proporcionar el apoyo necesario para explorar la escalabilidad de estos resultados en todo el reino animal. Los primeros y positivos resultados de esta segunda oleada de investigaciones han motivado ahora la unión de grupos de investigación más amplios. De hecho, se han reunido las primeras alianzas de alcance mundial para liderar el desarrollo de bibliotecas de secuencias de códigos de barras para todas las aves y peces. Los segmentos de grupos mucho más ricos en especies, como las plantas y los lepidópteros, se encuentran en las primeras fases de este proceso (www.barcoding.si.edu). Estos grupos de investigación pueden, a largo plazo, formar las unidades nucleares necesarias para que la iniciativa de los códigos de barras pase al ámbito de la «gran ciencia», en el que el éxito depende del acoplamiento de una agenda de investigación claramente enunciada y socialmente significativa con fuertes alianzas internacionales de investigación.
También es importante señalar que la búsqueda de apoyo a gran escala para el código de barras de ADN no se está llevando a cabo a expensas de la financiación taxonómica. De hecho, está claro que cualquier campaña exitosa para generar este apoyo resultará en una infusión sustancial de fondos para las instituciones y personas dedicadas a la investigación taxonómica. En general, los costes asociados a la secuenciación del ADN representarán un pequeño componente de los esfuerzos de codificación del ADN; la mayor parte de la financiación se empleará en los esfuerzos de recolección global, en la conservación de los especímenes resultantes y en el desarrollo de bases de datos en línea que contengan información detallada sobre ellos. Además, cabe señalar que la financiación ya obtenida ha procedido de grandes fundaciones y agencias y programas gubernamentales sin tradición de apoyo a la investigación taxonómica, y que en algunos casos las propuestas de códigos de barras de ADN han competido directamente con proyectos médicos y de genómica comparativa más que con alguno relacionado con la investigación taxonómica. Visto desde esta perspectiva, cualquier esfuerzo de codificación de ADN a gran escala representará una ayuda sustancial, tanto financiera como científica, para la biodiversidad y la investigación taxonómica. Sin duda, dejará un legado duradero en forma de un sistema completo y ampliamente accesible para la identificación de especies.
A nivel mundial, la investigación taxonómica alfa (el descubrimiento y la descripción de nuevas especies) está en crisis. ¿Es el código de barras de ADN una solución conveniente a este problema o acelerará su declive?
En nuestra opinión, el declive de la taxonomía alfa no es una consecuencia del creciente uso de métodos moleculares, como a veces se ha sugerido (Wheeler, 2004). De hecho, esperamos que la codificación de ADN ayude al resurgimiento de la taxonomía. Los programas de códigos de barras de ADN dirigirán sin duda nuevos fondos a la recogida y catalogación de especímenes. También ayudarán a las investigaciones taxonómicas al ayudar a revelar especies crípticas (Hebert et al., 2004a, 2004b), al conectar los sexos y las etapas de la vida (Beskansky et al., 2003) y al aclarar los problemas de sinonimia que ahora consumen mucho esfuerzo taxonómico (Alroy, 2002). La novedad y la promesa científica del código de barras del ADN atraerá además el interés del público por las cuestiones taxonómicas y de biodiversidad, animando a los jóvenes investigadores a entrar en la disciplina y a los departamentos académicos y a las agencias de gestión biológica a contratarlos.
Confiamos en que el código de barras del ADN desempeñará un papel cada vez más importante como herramienta de selección taxonómica debido a su capacidad para revelar rápidamente las discontinuidades genéticas que normalmente separan especies distintas (por ejemplo, Janzen et al., 2005; Smith et al., 2005). Su aplicación de este modo permitirá invertir los enfoques taxonómicos estándar que operan a priori, buscando las discontinuidades morfológicas que señalan el aislamiento reproductivo entre conjuntos de organismos no clasificados. En cambio, el código de barras del ADN permite un enfoque a posteriori más eficaz, en el que se examinan grupos predefinidos y genéticamente divergentes en busca de variación de rasgos. En este sentido, el código de barras de ADN será claramente un poderoso facilitador de la taxonomía alfa.
La variación de caracteres superpuestos entre y dentro de las especies está bien documentada para muchos sistemas de caracteres. ¿Por qué es esto un problema mayor o menor para la codificación de ADN?
El solapamiento en la variación de caracteres individuales no es problemático para ningún sistema taxonómico, ya sea morfológico o molecular, siempre y cuando se empleen múltiples caracteres para el diagnóstico del taxón. Un malentendido común del código de barras de ADN es que se basa en un solo carácter, a saber, «una secuencia de ADN». De hecho, la región del gen de la citocromo c oxidasa subunidad I (cox1 o COI), de 648 pb, utilizada como código de barras de ADN estándar para los miembros del reino animal, representa un carácter compuesto complejo que incluye cientos de componentes que varían independientemente. Algunos de estos caracteres componentes son invariables y, por tanto, no todos los 648 pb son informativos dentro de un determinado conjunto taxonómico, pero la mayoría son variables. Por ejemplo, hemos encontrado variación en 512 de los 648 sitios en un gran conjunto de códigos de barras de lepidópteros (9715 secuencias de 2215 especies y 1047 géneros). Esto significa que, incluso dentro de un mismo orden de insectos, los códigos de barras de ADN integran el patrón de similitudes y diferencias entre cientos de caracteres. En cierto sentido, es como el patrón generado por las escamas del ala de una polilla: cada escama no tiene casi ninguna importancia, pero el carácter compuesto del patrón de coloración del ala es altamente informativo.
El código de barras de ADN que utiliza una única región genética no asegura una resolución taxonómica completa, pero sí promete proximidad. Según los resultados obtenidos en el pasado para diversos grupos de animales, el código de barras de ADN proporcionará una resolución a nivel de especie en el 95% al 97% de los casos (Hebert et al., 2004b; Janzen et al., 2005; Ward et al., 2005). Cuando falla, reduce las opciones a un pequeño número de taxones congéneres (que, en muchos casos, podrían resolverse completamente con datos genéticos adicionales o de otro tipo). Este impresionante rendimiento refleja dos observaciones importantes y quizás inesperadas: la rareza de las secuencias mitocondriales compartidas entre especies y la escasez de divergencias profundas de códigos de barras dentro de las especies. La limitada variación intraespecífica en diversos grupos de animales es uno de los primeros hallazgos clave del esfuerzo de los códigos de barras de ADN, que merece una investigación científica más profunda. Ciertamente, cox1 muestra mucha menos variación dentro de las especies de lo que algunos de los primeros críticos habían previsto (por ejemplo, Mallet y Willmott, 2003), y esto puede reflejar el impacto de los barridos selectivos relacionados con la coevolución de los genomas nuclear y mitocondrial. Es importante destacar que para el uso de los códigos de barras como identificadores a nivel de especie, las diferencias en los códigos de barras parecen acumularse rápidamente, haciendo posible distinguir todas las especies hermanas, excepto las más jóvenes.
Reconocemos tanto la utilidad general de los datos genéticos en los estudios taxonómicos como la fuerte concordancia en las señales taxonómicas de los diferentes genes. Sin embargo, enfatizamos que no existe un «código de barras de ADN informal». Un código de barras de ADN no es una secuencia de ADN cualquiera: es una secuencia rigurosamente estandarizada, de una longitud y calidad mínimas, procedente de un gen consensuado, depositada en una importante base de datos de secuencias y adjuntada a un espécimen voucher cuyo origen y estado actual están registrados. De hecho, ya se ha establecido que sólo las secuencias de cox1 que cumplan estos estrictos criterios serán designadas como códigos de barras de ADN por el GenBank del Centro Nacional de Información Biotecnológica (NCBI, GenBank; www.ncbi.nlm.nih.gov/Genbank), el Laboratorio Europeo de Biología Molecular (EMBL; www.embl.org), y el Banco de Datos de ADN de Japón (DDBJ; www.ddbj.nig.ac.jp).
Hay una distinción importante entre «describir» y «delimitar» especies, pero una confusión de los dos ha creado inquietud sobre el uso de los códigos de barras de ADN como base de futuras descripciones taxonómicas. Nosotros insistimos en que los códigos de barras de ADN sólo pretenden ayudar a delimitar las especies, es decir, destacar los grupos genéticamente distintos que presentan niveles de divergencia de secuencias que sugieren el estatus de especie. Por el contrario, los códigos de barras de ADN -por sí mismos- nunca son suficientes para describir nuevas especies. En algún momento, los códigos de barras de ADN claramente divergentes, en combinación con otra información, se utilizarán como base para proporcionar un nuevo nombre linneano (Smith et al., 2005) y, como con cualquier hipótesis taxonómica, esto estaría sujeto a una reevaluación continua. Por ejemplo, en un estudio reciente de aves norteamericanas, el umbral para delinear probables nuevas especies se fijó arbitrariamente en 10 × la variación media dentro de la especie de todo el conjunto de datos del código de barras. Esto condujo a la revelación de cuatro presuntas nuevas especies (Hebert et al., 2004b), pero las decisiones relativas al reconocimiento formal de estos taxones se dejan, apropiadamente, a la comunidad ornitológica (en particular, la información morfológica y de comportamiento existente apoya estas nuevas hipótesis). La sinergia entre el código de barras de ADN y los estudios de diversidad morfológica/ecológica queda ilustrada por el caso de la mariposa skipper, Astraptes fulgerator, en el que un enfoque combinado de morfología, historia natural y código de barras reveló un complejo de 10 especies en una pequeña zona de Costa Rica. Es importante destacar que varias de estas especies mostraban una divergencia relativamente pequeña en el código de barras, pero el acoplamiento de esta información con los registros sobre las plantas hospedadoras de las larvas y la morfología iluminó toda la diversidad del complejo (Hebert et al., 2004a).
Los genes de código de barras propuestos pueden no recuperar árboles de especies precisos. ¿Importa esto para los códigos de barras de ADN?
Subrayamos que los códigos de barras de ADN no pretenden recuperar las relaciones filogenéticas; en cambio, buscan identificar las especies conocidas y ayudar al descubrimiento de otras nuevas. A pesar de este hecho, algunos opositores han afirmado que el código de barras de ADN fracasa como enfoque taxonómico porque no siempre recupera árboles de especies precisos (por ejemplo, Will y Rubinoff, 2004). En este sentido, es importante subrayar que las ubicaciones taxonómicas actuales deben considerarse como hipótesis, no como hechos. Consideremos un ejemplo primario ofrecido por Will y Rubinoff (2004) en su crítica a los códigos de barras de ADN: a saber, que los códigos de barras de ADN sugieren una afinidad muy estrecha entre la polilla Simyra henrici y ciertas especies de Acronicta (Hebert et al., 2003). Will y Rubinoff (2004:48) argumentan que esta colocación hace «imposible recuperar cualquier información taxonómica por debajo del nivel supragénico, ni siquiera la pertenencia a un género». Sin embargo, más que reflejar un fracaso de la codificación del ADN, creemos que este caso ilustra el poder del enfoque para iluminar las asignaciones taxonómicas que necesitan ser examinadas. La asignación tradicional de S. henrici a un género distinto refleja el hecho de que sus adultos tienen alas delanteras de color amarillo pálido, mostrando una sorprendente divergencia con las alas delanteras grises/negras de las especies de Acronicta. Sin embargo, la morfología de las larvas, los patrones de las alas delanteras de los adultos, el nicho ecológico y la anatomía genital sugieren que S. henrici tiene estrechas afinidades con Acronicta oblinata (D. Wagner, comunicación personal), una conclusión reforzada por los códigos de barras de ADN (Fig. 1). Su coloración distintiva en las alas delanteras probablemente refleje el hecho de que las larvas de S. henrici se alimentan de hierbas, a diferencia de los hábitos de alimentación en los árboles de las especies típicas de Acronicta. El rápido cambio de coloración de las alas ha sido presumiblemente impulsado por la selección natural para facilitar la adaptación al sustrato durante la vida adulta. Así pues, este ejemplo concreto revela no sólo la capacidad de los códigos de barras de ADN para refinar las hipótesis taxonómicas existentes, sino también para proporcionar nuevos conocimientos sobre las trayectorias evolutivas (véase Janzen et al., 2005, para otros ejemplos relacionados con lepidópteros tropicales).
Un árbol de identificación de taxones generado a través del análisis de unión de vecinos de las distancias K2P que muestra los patrones de divergencia de la secuencia cox1 para 31 especies de Acronicta y 1 especie de Simyra. Los especímenes de diferentes provincias (Canadá) o estados (EE.UU.) se muestran en diferentes colores.
Árbol de identificación de taxones generado mediante el análisis de unión de vecinos de las distancias K2P que muestra los patrones de divergencia de la secuencia cox1 para 31 especies de Acronicta y 1 especie de Simyra. Los especímenes de diferentes provincias (Canadá) o estados (EEUU) se muestran en diferentes colores.
Algunas especies no son monofiléticas desde el punto de vista mitocondrial, compartiendo polimorfismos con taxones no relacionados. ¿Cómo afectará esto a las identificaciones mediante un enfoque de código de barras?
Aunque el intercambio horizontal de mitocondrias entre organismos taxonómicamente divergentes podría ocurrir teóricamente, no se han encontrado pruebas de ello entre los miles de especies animales que ahora han sido codificadas con barras. Se han observado secuencias mitocondriales compartidas (y, por tanto, códigos de barras), pero sólo entre especies estrechamente relacionadas y presumiblemente como resultado de la hibridación en curso. Las repercusiones taxonómicas de este intercambio no son ni mucho menos catastróficas, ya que limitan las identificaciones a un pequeño complejo de congéneres. Los códigos de barras compartidos no representan un problema taxonómico sustantivo porque son poco comunes y sus impactos son parroquiales.
Vale la pena enfatizar que las pruebas críticas del intercambio de secuencias mitocondriales entre especies son difíciles de ejecutar. Muchos estudios suponen que las discrepancias entre las identificaciones realizadas mediante rasgos morfológicos y los códigos de barras de ADN señalan fallos en los datos de los códigos de barras. Antes de aceptar críticamente tales conclusiones, se necesita una validación más sólida de las asignaciones basadas en la morfología. Por ejemplo, Wahlberg et al. (2003) informaron de conflictos entre la morfología y las divergencias del ADN mitocondrial en un complejo de especies de mariposas estrechamente aliadas, pero esta conclusión habría sido mucho más sólida si las asignaciones morfológicas hubieran sido confirmadas de forma independiente por varios taxónomos (aunque todavía podrían reflejar una hipótesis taxonómica errónea). Cabe señalar que en varias ocasiones se han llevado a cabo pruebas ciegas de codificación de ADN. De hecho, el código de barras de ADN ha superado pruebas a ciegas, en las que el taxónomo que proporcionaba los especímenes no se daba cuenta de toda la diversidad de especies presentes en una muestra (es decir, hasta que un examen posterior inspirado en los resultados del código de barras revelaba diferencias biológicas clave entre ellas; por ejemplo, Hebert et al., 2004a, 2004b). Proporcionar demostraciones empíricas de que los códigos de barras de ADN son capaces de realizar identificaciones consistentes, precisas e inequívocas es un aspecto clave de la investigación de los códigos de barras, y lo mismo debería esperarse de los enfoques alternativos.
Si alguna vez se completara un programa de códigos de barras de ADN, ¿marcaría esto el comienzo o el final de la investigación taxonómica y de la biodiversidad, y cuál será el papel de los sistemáticos en un mundo en el que la mayoría de las identificaciones se hacen por «código de barras»?
Los códigos de barras de ADN aumentarán la escala y el éxito de la ciencia de la biodiversidad al incrementar enormemente el acceso a las identificaciones de especies. Un sistema automatizado basado en el ADN liberará a los taxónomos de las identificaciones rutinarias, permitiéndoles dirigir sus esfuerzos a nuevas colecciones, descripciones y evaluaciones de las relaciones taxonómicas. Algunos opositores al código de barras de ADN han argumentado que las identificaciones rutinarias son sólo una parte menor del trabajo de un taxónomo (Lipscomb et al., 2003; Wheeler, 2004; Will y Rubinoff, 2004), mientras que otros han alabado la utilidad potencial de los sistemas de identificación automatizados, pero sólo si se basan en la morfología (Gaston y O’Neill, 2004; Wheeler, 2004). Creemos que las identificaciones de especies son un paso limitante para muchas investigaciones ecológicas y de biodiversidad, así como para la investigación taxonómica, y que la codificación de ADN aliviará la carga de los taxónomos y cubrirá una necesidad actual con importantes beneficios tanto para la taxonomía como para la ciencia de la biodiversidad.
En un mundo con códigos de barras, los taxónomos mantendrán su papel de liderazgo en la asociación, integración e interpretación del conocimiento sobre la variación del estado de los caracteres que delinean las especies y lo que esto implica para la taxonomía de nivel superior. Como ya se ha dicho, su trabajo sobre nuevos conjuntos de vida puede acelerarse a menudo utilizando los resultados de los códigos de barras para permitir un enfoque a posteriori del reconocimiento de las especies. Los taxónomos, por supuesto, también continuarán explotando otros enfoques moleculares y morfológicos para explorar relaciones taxonómicas más profundas.
¿La inevitable expansión de los esfuerzos de secuenciación que vendría con un programa de códigos de barras de ADN sería concomitante con una disminución de la calidad de la investigación taxonómica?
Se ha sugerido que la secuenciación es demasiado costosa, difícil o consume mucho tiempo para los taxónomos (por ejemplo, Dunn, 2003; Mallet y Willmott, 2003; Seberg et al., 2003). Sin embargo, los taxónomos individuales no están más obligados a realizar su propia secuenciación que los fotógrafos individuales a revelar sus propias fotografías. La codificación de barras ya ha pasado a la fase de «fotomatón», con decenas de miles de especímenes que se analizan a bajo coste en instalaciones de codificación de barras de gran volumen (por ejemplo, en la Universidad de Guelph, Canadá, y en la Smithsonian Institution, Estados Unidos). La «carga» directa para los colaboradores taxonómicos consiste en alimentar el tren analítico proporcionando pequeñas muestras de tejido de especímenes identificados y con vales para el código de barras. A medida que las tecnologías de microfluidos maduren en la próxima década, cabe esperar el desarrollo de dispositivos asequibles, fáciles de usar y compactos -si no portátiles- que integren todas las etapas, desde la extracción del ADN hasta el análisis de la secuencia del código de barras para obtener una identificación (un movimiento hacia la etapa «Polaroid» en la analogía con la fotografía). Aunque cabe esperar que estos instrumentos se conviertan en equipamiento estándar tanto para la investigación taxonómica como para la comunidad más amplia de organizaciones e individuos que necesitan un acceso rápido a las identificaciones de especies, esto no implica ciertamente que la codificación de barras convierta a los taxónomos en biólogos moleculares.
Creemos que las herramientas proporcionadas por la codificación de barras de ADN añadirán rigor a la generación y comprobación de hipótesis taxonómicas. La taxonomía se ha ejecutado generalmente utilizando discontinuidades en rasgos análogos (es decir, morfológicos graduados) para inferir los límites de las especies, un enfoque que ha generado un total de 1,7 millones de hipótesis taxonómicas durante 250 años. El código de barras de ADN permite poner a prueba estas hipótesis utilizando un flujo de datos digitales independientes (es decir, basados en nucleótidos de ADN). Aunque ha habido una buena correspondencia entre las especies reconocidas mediante enfoques morfológicos con las designaciones basadas en los códigos de barras, existen discordancias. Estos casos deben ser bienvenidos, ya que reforzarán tanto las hipótesis taxonómicas como los métodos de análisis de las diferencias de los códigos de barras, y pueden conducir a nuevos descubrimientos sobre la evolución y la ecología. Todos estos beneficios se han puesto de manifiesto en los primeros esfuerzos de codificación de barras.
Suponiendo que los problemas técnicos de la codificación de barras de ADN puedan ser superados, ¿es ahora, o será alguna vez rentable en relación con los métodos tradicionales el uso de códigos de barras de ADN para fines de bioinventario?
Una de las principales ventajas y razones para la codificación de barras de ADN radica en su rentabilidad para la identificación de especies, especialmente en ambiciosos programas de bioinventario y biomonitorización (Smith et al., 2005). En la actualidad, los sistemas de línea de producción para identificar incluso un pequeño grupo de especies completamente conocidas a través de enfoques morfológicos cuestan alrededor de 2 dólares por espécimen (por ejemplo, programas de monitoreo de mosquitos que se ocupan de menos de 60 especies; F. C. Hunter, comunicación personal). Cuando un equipo de especialistas en taxonomía se centra en un conjunto mayor de especies en una zona geográfica específica, los costes aumentan sustancialmente y la identificación de un solo espécimen puede costar entre 50 y 100 dólares si se internalizan todos los costes. En la actualidad, un código de barras de ADN puede generarse por unos 5 dólares por espécimen, incluyendo la mano de obra y la secuenciación, y se espera que este coste caiga en picado. Con el tiempo, los programas de códigos de barras de ADN tienen el potencial de llegar a ser autosuficientes cobrando una pequeña cuota por las identificaciones al tiempo que mantienen el acceso abierto para los investigadores académicos.
El coste es sólo un criterio para evaluar la utilidad de un sistema de apoyo taxonómico para la investigación de la biodiversidad. La velocidad, la fiabilidad y la accesibilidad son igualmente importantes, y creemos que el código de barras de ADN sobresale en estas áreas. Por el contrario, incluso los programas de biomonitorización a menor escala basados en la morfología se enfrentan actualmente a un gran reto a la hora de ofrecer resultados de forma rápida y rentable. Esto puede tener consecuencias económicas dramáticas, como ocurre con la actual dificultad para identificar especies invasoras con la suficiente antelación para suprimir un brote. Sin embargo, los beneficios económicos de excluir incluso a un solo invasor nocivo, como el mejillón cebra de Norteamérica, habrían sido suficientes al cabo de una década para codificar con barras la mayor parte de las especies animales de la Tierra.
Estamos de acuerdo en que la ciencia impulsada por hipótesis domina los concursos de financiación a pequeña escala y que la taxonomía sale mal parada debido a su naturaleza impulsada por el descubrimiento. Por otro lado, todas las iniciativas de «gran ciencia» -desde la física subatómica hasta el genoma humano o la exploración espacial- han sido impulsadas por el descubrimiento, y éste será el ámbito de financiación en el que operará el programa global de códigos de barras de ADN si está a la altura del desafío. Al igual que ocurre con la mayoría de los grandes proyectos científicos, el código de barras de ADN ha sido objeto de alegaciones de que «no es ciencia» y que amenaza la capacidad de los laboratorios más pequeños para llevar a cabo investigaciones basadas en hipótesis. En casos anteriores, estas afirmaciones siempre han resultado ser miopes. La observación repetida es que la ciencia de descubrimiento a gran escala hace surgir hipótesis a un ritmo frenético y revela vías de investigación que nunca podrían haberse previsto. En este sentido, muchas de las críticas que se han hecho a la codificación del ADN son muy parecidas a las que se hicieron hace una década al proyecto del genoma humano.
La codificación del ADN ya ha conseguido atraer una financiación considerable de diversas agencias y organizaciones que no han sido financiadoras tradicionales de la taxonomía, pero esto no se ha conseguido vendiendo «taxonomía» per se. En cambio, la iniciativa del código de barras de ADN promueve la visión de un inventario ampliamente accesible de la diversidad de la vida. Sólo haciendo hincapié en los beneficios para la sociedad y despertando el interés del público contribuyente se generará el apoyo a una iniciativa global de biodiversidad. Por supuesto, esto no significa que la taxonomía vaya a convertirse en una «industria de servicios de alta tecnología» para otros biólogos, como han sugerido algunos (por ejemplo, Lipscomb et al., 2003; Wheeler, 2004; Will y Rubinoff, 2004). Uno de los principales objetivos del código de barras de ADN es permitir a la mayoría de los biólogos que no son taxónomos -y, de hecho, a cualquier persona- acceder directamente a la información taxonómica, al tiempo que se permite a los taxónomos profesionales centrarse en la generación de más conocimientos de este tipo.
Declaración de posición
Los esfuerzos para inventariar la diversidad eucariota mediante análisis morfológicos han tenido mucho éxito. La generación de casi dos millones de hipótesis taxonómicas en los últimos 250 años es una hazaña impresionante que ha proporcionado una comprensión fundacional de la diversidad biológica, pero muchos detalles esperan ser aclarados. El código de barras del ADN está en condiciones de contribuir al inventario de la vida acelerando el descubrimiento de especies, poniendo a prueba las hipótesis taxonómicas actuales y facilitando la identificación de especies. Estas contribuciones no se harán a expensas de los valores taxonómicos fundamentales o de la financiación. El código de barras de ADN no pretende abandonar «los estudios morfológicos en favor de un sistema de identificación estrecha y totalmente molecular» (Will y Rubinoff, 2004: 47). Más bien, se esfuerza por crear alianzas entre los taxónomos moleculares y morfológicos (Hebert y Barrett, 2005). También pretende preservar los principios linneanos por los que se nombran y clasifican las especies. El código de barras del ADN requiere nombres de especies existentes, derivados de la morfología, para su calibración, y son estos nombres los que se recuperan cuando se utiliza el código de barras para la identificación.
Es generalmente aceptado que el estudio de la biodiversidad está seriamente infrafinanciado (Godfray, 2002). No es fácil atribuir esto al tema de la investigación, ya que la ciencia de la biodiversidad es importante y atrae mucho interés público. Sin embargo, este ámbito de investigación adolece de una cultura del conflicto. En lugar de montar grandes colaboraciones, la comunidad de la biodiversidad tiene una tradición de polarización y luchas internas. El código de barras de ADN no es ajeno a las invectivas: ha sido tachado de «tecnología teóricamente vacía» y de «truco de salón» (Wheler, 2004; Will et al., 2005). La combinación de estos comentarios con ataques ad hominem a los defensores de los códigos de barras de ADN da poco crédito a la disciplina.
Algunos críticos acusan al enfoque de los códigos de barras de ADN de ser fundamentalmente defectuoso, pero los datos disponibles cuentan una historia muy diferente: el éxito de los códigos de barras de ADN ha sido hasta ahora sorprendentemente impresionante. Como señala Smith (2005), la codificación de barras obtuvo buenos resultados en una prueba realizada en la conferencia PEET. Y lo que es más importante, una serie de estudios han investigado la eficacia de los códigos de barras de ADN en conjuntos de especies de diversos entornos geográficos y de numerosos grupos taxonómicos con historia vital y atributos evolutivos divergentes. Como consecuencia de estas pruebas de sensibilidad, se dispone ahora de registros de códigos de barras para más de 13.000 especies animales (y se acumulan rápidamente) y revelan una resolución que no es ilusoria (www.barcodinglife.org). En un grupo tras otro, el éxito en la identificación de especies supera el 95% y los pocos casos de resolución comprometida implican la incapacidad de discriminar un pequeño grupo de especies estrechamente aliadas (Hebert et al., 2004a, 2004b; Hebert et al., sin publicar). Los resultados típicos se asemejan a los de la Figura 1, que muestra el patrón de divergencias de códigos de barras de ADN para 31 especies de Acronicta, uno de los géneros de lepidópteros más diversos de Norteamérica. En este caso, no hay pruebas de que se compartan las secuencias entre los taxones, como cabría esperar si se produjera la hibridación o si las especies fueran demasiado jóvenes para ser discriminadas. En cambio, hay una clara separación de especies con cohesión de códigos de barras para los conespecíficos, incluso cuando se derivan de sitios dispares en el este de América del Norte.
No hay nada excepcional en los resultados de los códigos de barras para Acronicta: los estudios sobre invertebrados del suelo del Ártico y sobre lepidópteros de los trópicos muestran un éxito similar en la resolución de las especies (Hogg y Hebert, 2004; Janzen et al., 2005). Este rendimiento se extiende a los entornos marinos: un estudio de códigos de barras que examinó más de 200 especies morfológicamente definidas de peces australianos generó un éxito del 100% en su discriminación (Ward et al., 2005). Las pruebas de sensibilidad a través de gradientes de 10 veces en las tasas de evolución mitocondrial revelaron un alto éxito en la identificación de especies de grupos de insectos con las tasas de evolución más bajas y más altas (Ball et al., 2005; Smith et al., 2005). Los cambios en la composición nucleotídica del genoma mitocondrial tampoco afectan a la resolución del código de barras del ADN, como demuestra el éxito en grupos, como las aves, con una alta composición G+C y otros, como las arañas, con un sesgo extremo A+T (Hebert et al., 2004b; Barrett y Hebert, 2005).
Si estos estudios anteriores reflejan el rendimiento general de los códigos de barras en todo el reino animal, un sistema integral basado en cox1 ofrecerá una resolución taxonómica superior al 99,99% si se considera desde la perspectiva del reino. Para entenderlo, basta con imaginar que cada una de las 10.000 fosas de la figura 2 es un depósito de datos de códigos de barras de una sola especie. Suponiendo que haya 10 millones de especies animales, la biblioteca de códigos de barras de este reino podría estar representada por sólo 1.000 de estas páginas. La avifauna mundial, que consta de unas 10.000 especies de aves, ocupará sólo una de estas páginas. Los registros de códigos de barras de los peces del mundo ocuparán tres páginas, mientras que los escarabajos llenarán varios cientos de páginas. Una vez que se hayan llenado los 10 millones de fosas con datos de códigos de barras, el análisis de cualquier nueva secuencia de códigos de barras proporcionará un transporte inmediato a la página correcta de entre 1000, ofreciendo una resolución del 99,9%. De hecho, basándose en los datos de las aves norteamericanas, la secuencia del código de barras proporcionará una resolución perfecta al conducir a una fosa de una especie individual en la página de un ave en el 96% de los casos. En el resto de los casos, el código de barras recién recogido coincidirá con las secuencias de dos o tres fosas adyacentes. En resumen, un código de barras corto reducirá la incertidumbre en la identidad de las especies de cualquiera de los 10 millones de especies a una sola especie en la mayoría de los casos, y a un pequeño subconjunto de especies estrechamente aliadas en otros casos.
Representación gráfica de una matriz que almacenaría datos de códigos de barras sobre 10.000 especies (por ejemplo, casi todas las especies de aves conocidas). Mil páginas de este tipo albergarían registros de códigos de barras de 10 millones de especies. Además de proporcionar un epíteto de la especie, un sistema de este tipo actuaría como un portal para el resto de la información recopilada sobre una especie determinada, enlazando con otras bases de datos biológicas completas.
Representación gráfica de una matriz que almacenaría datos de códigos de barras sobre 10.000 especies (por ejemplo, casi todas las especies de aves conocidas). Mil páginas de este tipo albergarían registros de códigos de barras de 10 millones de especies. Además de proporcionar un epíteto de la especie, este sistema actuaría como un portal para el resto de la información recopilada sobre una especie determinada, enlazando con otras bases de datos biológicas completas.
Ahora se cuenta con la financiación necesaria para garantizar que la biblioteca de códigos de barras de ADN para animales crezca en al menos 500.000 registros durante los próximos 5 años, proporcionando cobertura para unas 50.000 especies. Aunque esto estará lejos de ser un registro completo de especies, permitirá que los códigos de barras de ADN funcionen como una herramienta eficaz de identificación para aquellos grupos taxonómicos con registros completos de códigos de barras. Por ejemplo, a medida que se acerque la finalización de la cobertura de códigos de barras para peces, aves e insectos plaga, esto proporcionará un acceso abierto a la identificación de estas especies, independientemente de su etapa de vida o condición. A medida que a este núcleo de registros de especies se le sumen los códigos de barras de otros animales, surgirá un sistema de identificación global para este reino de la vida.
Aunque creemos que la generalidad de los códigos de barras ha quedado demostrada para el reino animal, sigue siendo necesario establecer y evaluar protocolos de códigos de barras para los demás reinos de la vida. Los principios básicos del análisis de los códigos de barras (minimización y estandarización de los objetivos de las secuencias) son sin duda aplicables a estos organismos, pero la selección de las regiones genéticas y las pruebas de su eficacia siguen en curso, aunque los primeros resultados en plantas (Kress et al., 2005) y protistas (G.W. Saunders, comunicación personal) son motivo de optimismo. Aparte de su éxito a la hora de separar especies conocidas, la codificación del ADN será una poderosa ayuda para resolver otras cuestiones taxonómicas. Se han revelado regularmente especies pasadas por alto, incluso en grupos bien estudiados como las aves norteamericanas (Hebert et al., 2004b), las mariposas (Hebert et al., 2004a) y las polillas de la seda (Janzen et al., 2005). Su papel en la asociación de estadios vitales (Beskansky et al., 2003) y géneros (Janzen et al., 2005), y en la aclaración de sinonimias, también será de ayuda en muchas otras investigaciones taxonómicas.
La activación de cualquier programa científico de envergadura exige no sólo una sólida justificación científica, sino una demostración de su relevancia social. El código de barras de ADN muestra dicha relevancia al proporcionar un nuevo acceso a las identificaciones en diversos contextos. Los esfuerzos para conservar la vida se ven actualmente limitados por la necesidad de un sistema de identificación, y creemos que esta necesidad sólo puede ser satisfecha por el código de barras de ADN (véase también Smith et al., 2005). La capacidad de los códigos de barras para identificar fragmentos de vida tiene aplicaciones que van desde la resolución de casos de sustitución de especies en el mercado (Marko et al., 2004) hasta la protección de la seguridad alimentaria a través de, por ejemplo, el cribado de alimentos para animales en busca de residuos de rumiantes. En términos más generales, la capacidad del código de barras de ADN para proporcionar identificaciones de forma rápida y barata tiene el potencial de revolucionar la relación de la humanidad con la diversidad biológica (Janzen, 2004).
Si el código de barras de ADN se lleva a cabo a gran escala, generará importantes subproductos para la comunidad científica. Todos los extractos de ADN producidos durante el análisis de los códigos de barras de los especímenes comprobados se almacenarán, lo que permitirá que en el futuro se examinen los patrones de diversidad de secuencias en otras regiones genéticas, y los programas de recolección instigados por los códigos de barras de ADN ampliarán los especímenes disponibles para el análisis morfológico. La iniciativa del código de barras también creará un sistema basado en la web que no sólo proporcionará identificaciones automatizadas, sino también un portal de información biológica para todas las especies incluidas en el registro. Aunque el código de barras del ADN no creará la «enciclopedia de la vida», generará su índice y tabla de contenidos.
Debido tanto a los resultados científicos positivos como a sus reconocidos beneficios sociales, existe un creciente entusiasmo por una iniciativa de código de barras del ADN a gran escala. En dos reuniones celebradas en Cold Spring Harbor durante 2003 se aclararon los planes de acción (Stoeckle, 2003), y se han celebrado más reuniones. La más reciente, organizada por el Museo de Historia Natural de Londres, atrajo a más de 230 investigadores (Marshall, 2005). El movimiento de los códigos de barras también cuenta con una fuerza organizadora central: el Consorcio para el Código de Barras de la Vida (CBOL), auspiciado por el Instituto Smithsoniano de Washington, que se puso en marcha a mediados de 2004. Más de 80 organizaciones de 25 países, entre ellas muchos museos importantes, ya se han unido al CBOL(www.barcoding.si.edu). Bajo sus auspicios se han puesto en marcha las primeras campañas mundiales de códigos de barras, que incluyen planes para codificar las 10.000 especies de aves y los 15.000 peces marinos para 2010. Está claro que el trabajo debe ir más allá de los laboratorios individuales para abordar proyectos de envergadura como éstos, y se están formando redes nacionales de códigos de barras para establecer cadenas de suministro de especímenes y supervisar las instalaciones analíticas básicas. La primera de ellas, la Canadian Barcode of Life Network, que se puso en marcha en mayo de 2005 (www), pretende codificar con barras al menos 10.000 especies animales canadienses en los próximos 5 años.
Vemos estos signos de creciente sinergia entre los distintos sectores de la comunidad de la biodiversidad como extremadamente esperanzadores. Si se desarrolla todo su potencial, la historia puede ver la empresa de los códigos de barras de ADN como una empresa que no sólo ha mejorado el acceso a la información taxonómica, sino que también ha reforzado las alianzas entre todos los que tienen intereses en la documentación, la comprensión y la preservación de la biodiversidad, una perspectiva realmente emocionante.
Agradecimientos
Damos las gracias a Mark Stoeckle y Dan Janzen por sus valiosas sugerencias de revisión de los primeros borradores de este artículo. También estamos muy agradecidos a la Fundación Gordon y Betty Moore, NSERC, CFI y OIT por su apoyo a la investigación de códigos de barras de ADN en la Universidad de Guelph.
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