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La biotecnología y los recursos del mar
( Publicado en "La Revolución de la Bioingeniería", Fernando Mönckeberg, 1988,
Editorial Mediterráneo )
Los océanos contienen una gran variedad de plantas, animales y microorganismos. La
explotación convencional de estos recursos, ha generado apreciables riquezas en
algunos países los que hoy en día ven en la biotecnología un arma de progreso muy
interesante. Si bien el proceso está aún en pañales, las posibilidades son enormes,
tanto en el cultivo de especies marinas, como en la producción de fármacos,
innumerables productos químicos e incluso combustibles.
Marinicultura
El mar, al igual que la tierra, puede cultivarse. En nuestro país ya se ha iniciado este
proceso con el cultivo de ostras y choros. Ecuador exporta más de 300 millones de
dólares al año en camarones cultivados en agua de mar. En muchos países también se
está iniciando el cultivo de peces en el mar, como en el caso del salmón en Chile. En
nuestro caso, bastaría por ahora que en lugar de utilizar los peces como harina de
pescado, utilizáramos el pescado directamente para consumo humano (un típico
ejemplo de subutilización de un recurso). Con la misma captura, en lugar de exportar
200 millones de dólares coma harina de pescado, podríamos exportar sobre mil
millones de dólares. Con todo, investigaciones existentes muestran que la manipulación
genética pide aumentar la velocidad de crecimiento de las especies, desarrollar
especies resistentes a enfermedades o más adaptables a diferentes condiciones
ambientales.
En la Universidad de John Hopkins (Maryland, USA), el profesor Dennis A. Powers y
colaboradores, están tratando de producir peces de rápido crecimiento, introduciendo
en los huevos, genes que codifican para la producción de hormona de crecimiento de
mamíferos. En un cierto porcentaje este nuevo DNA se incorpora al DNA propio del
huevo, produce hormona y acelera así el proceso de crecimiento.
También ha sido posible transferir otros genes, que les permiten crecer en diversas
condiciones ambientales. Se ha descubierto genes que aumentan la resistencia de los
peces o aguas ácidas o más calientes, o que permiten el desarrollo de peces en aguas
contaminadas con metales pesados o que hacen posible el crecimiento en aguas muy
frías. Así, por ejemplo, ciertas especies de lenguados sobreviven en aguas con
temperaturas de -1,5 0C, gracias a que sintetizan una proteína anticongelante que baja
el punto de congelación de su sangre. Ya se ha logrado clonar el gen anticongelante en
bacterias y se está tratando de traspasar este gen a otras especies de peces.
De gran interés económico son los genes que condicionan la síntesis de las
metalotioneinas, proteínas que se unen a metales tóxicos y los neutralizan. Dos de
estas proteínas ya han sido purificadas y sus correspondientes genes están tratando de
ser clonados en bacterias. Esto permitiría no sólo cultivar peces en aguas contaminadas
con metales pesados como el cadmio y el mercurio, sino que según los expertos, la
clonación de los genes que codifican para la síntesis de metalotioneina abre la
posibilidad de producir grandes cantidades de esta proteína que puede utilizarse para
descontaminar las aguas y aún recuperar metales valiosos.
Las técnicas de manipulación también están siendo utilizadas en el cultivo de mariscos.
El profesor Daniel Morse, de la Universidad de California (USA), ha descubierto que la
ovulación de los abalones (que también se cultivan en Chile) puede gatillarse con
trazas de óxido y agua oxigenada. Más aún, pequeños polipéptidos que se encuentran
en la superficie externa de ciertas algas son capaces de inducir la metamorfosis de las
larvas de estos moluscos. Es decir, ya se podría controlar la reproducción y
metamorfosis de algunos moluscos. Sólo faltaría conocer cómo estimular su
crecimiento.
Resultados preliminares indican que la insulina aumenta la eficiencia con que algunos
moluscos aprovechan los nutrientes y por este mecanismo se estimula su crecimiento.
Morse y su grupo están clonando en bacterias los genes de la insulina de estos
moluscos. El primer objetivo, dicen, es producir insulina para uso exógeno en esas
especies. A más largo plazo se pretende introducir el gen de la insulina dentro de los
huevos de los moluscos, y obtener un mayor crecimiento.
Rita R. Colwell y colaboradores, de la Universidad de Maryland (USA), están estudiando
el ciclo de vida de la ostra americana. Algunos de sus resultados muestran que ciertas
bacterias del mar que viven en estrecha asociación con ellas, producen una sustancia
química capaz de iniciar la metamorfosis de la larva y llegar así a ser ostra madura. Los
investigadores han clonado los genes que producen esta sustancia y se espera poder
producirla en forma masiva, lo que será de gran importancia para aumentar el
rendimiento en la ostricultura.
La biotecnología también está comenzando a utilizarse en solucionar otro problema de
la marinicultura: La prevención y tratamiento de enfermedades en los peces y
mariscos. Investigadores de la Universidad de Maryland (USA), están tratando de
clonar genes de ostras a fin de llegar a tener una biblioteca de genes y así seleccionar
aquellos que confieran resistencia a las enfermedades. Mientras tanto, Jorge Crosa,
profesor asociado de la Universidad de Oregon (USA), está utilizando las técnicas de
DNA recombinante para desarrollar una vacuna contra una bacteria patógena, Vibrio
anguilarum, que produce una enfermedad en el salmón del Pacifico y otros peces.
Nuevos productos
Ya se pueden vislumbrar los primeros productos que resultarán de la aplicación de la
biotecnología utilizando los recursos del mar: polisacáridos, proteínas, lípidos,
adhesivos, vitaminas, enzimas y azúcares raros. Desde luego, ya está en uso un
polisacáridos extraído de una bacteria marina del género Acinetobacter, capaz de
convertir el petróleo en una emulsión hidrosoluble. Se utiliza para limpiar los restos de
petróleo que quedan en las cafeterías a estanques de almacenamiento. También la
quitina de las caparazones de camarones provee de quitosano, empleado como
adelgazador de emulsiones, agente quelante y materia prima en la industria de
alimentos.
Proteínas y polisacáridos marinos también son utilizados como adhesivos submarinos.
Así, por ejemplo, las almejas secretan una proteína que les permite pegarse a las rocas
y defenderse de las corrientes. La capacidad adhesiva de esta proteína resulta de la
modificación química (hidroxilación) de uno de sus aminoácidos, la tirosina, localizada
en forma repetida en la cadena proteica. Esta proteína pegamento, al ser excretada,
adquiere la consistencia de una melaza. Luego, una enzima que es secretada
simultáneamente, une varias cadenas de proteína, dándole en definitiva una
consistencia muy dura.
John Waite, profesor de la Universidad de Connecticut, USA, en colaboración con la
Compañía Genex Corp. está empeñado en la clonación del gen que produce la proteína
pegamento. Aunque la proteína original está constituida por una cadena de 1000
aminoácidos, La versión industrial tiene sólo 200. Después se agrega la enzima que
hidroxila la tirosina y le da la consistencia definitiva al adhesivo.
Este producto ha mostrado una gran versatilidad, ya que se utiliza como material
cementante debajo del agua o en condiciones de humedad. Tiene también usos en
odontología, en la reconstrucción del oído interno y para suturar la cornea después de
las operaciones de los ojos. Es posible incluso que se utilice para reparar huesos ya que
la sustancia no es tóxica ni produce reacciones adversas.
Las ostras producen otra sustancia semejante. Este material descubierto por
investigadores de la Universidad de Maryland (USA), se está utilizando como adhesivo
resistente al agua, como adelgazador de pinturas o modificador de plásticos y como
material de sutura en cirugía plástica y en la fabricación de submarinos.
Proteínas estables al calor
Otro aspecto que ofrece muchas perspectivas es el estudio de microorganismos que
viven y se desarrollan en condiciones de altas temperaturas, presiones o salinidad. Así,
por ejemplo, una bacteria del género Archaeobacterium crece en condiciones óptimas a
una temperatura de 95 0C, la que normalmente es suficiente para matar a todos los
organismos. La Oficina de Investigaciones Navales de EE.UU. está investigando cómo
resisten las proteínas y ácidos nucleicos de estas bacterias en condiciones tan
adversas. Según Robert Newburg, investigador de ese Centro, esta propiedad podría
utilizarse en numerosos procesos industriales. La fermentación convencional, que usa
bacterias o levaduras, genera gran cantidad de calor, la que obliga constantemente a
enfriar el sistema, de modo de preservar los microorganismos. Este costo podría
eliminarse si los genes que condicionan la resistencia al calor pudieran transferirse a
estas bacterias o levaduras.
Recientemente, han sido descritas bacterias más exóticas que habitan en las
turbulencias térmicas del fondo del mar, como consecuencia de la actividad volcánica.
El agua alcanza allí una temperatura de 350 0C, sin hervir, a causa de la elevada
presión (2 mil metros de profundidad). Contrariamente a lo que se podría esperar, en
ese media viven numerosos organismos que no requieren de la luz solar para su
proceso de fotosíntesis, obteniendo la energía de la oxidación del ácido sulfídrico
liberado en esas surgencias. En 1983, John Baross, de la Universidad de Washington
(Seatle, USA) y Jody W. Deming, de La Universidad John Hopkins (Maryland, USA),
descubrieron lo que en ese momento se calificó de increíble: en esas condiciones de
temperatura y presión se desarrollaban y crecían numerosas bacterias. Incluso lograron
cultivarlas en el laboratorio bajo condiciones similares. Necesariamente el metabolismo
de estos microorganismos debe estar catalizado por enzimas que operan bajo estas
condiciones, lo cual las transforma en material particularmente atractivo en
operaciones industriales que funcionan a altas temperaturas. Así, los genes que
producen estas enzimas podrían clonarse (quizás en otras bacterias) y usarse en
procesos catalíticos industriales. Por otra parte, se ha propuesto que estas bacterias
podrían ser muy útiles en combatir la llamada lluvia ácida, causada por la liberación de
ácido sulfúrico a la atmósfera. Estas bacterias pueden convertir este ácido en sulfato, el
que sería diluido en el océano. Más aún, debido a la capacidad de tampón del agua de
mar el sulfato puede ser absorbido sin problema. Estas bacterias que crecen en
presencia del ácido, pueden utilizarse en la producción de combustible sintético, en la
industria química o en la marinicultura. Hoger Jannasch del Woods Hole Oceanographic
Institution (Massachusetts, USA), aisló, a partir de estas emanaciones submarinas, una
cepa bacteriana que produce metano. Mientras otras cepas metanogénicas tienen unn
tiempo de generación a 60 °C, de 6 a 7 horas, las recientemente descubiertas tardan
sólo 28 minutos a 88 0C. Esto significa que podrían fermentar la biomasa hasta llegar a
metano, por lo menos 5 veces más rápido que lo conocido hasta hoy.
Productos de algas marinas
Chile exporta sus recursos de algas en bruto, en tanto los países más avanzados las
utilizan como fuente de ficocoloides y polisacáridos solubles. Los ficocoloides más
usados son el agar-agar, los carraginatos y los alginatos. Estos tres productos tienen
actualmente un mercado de 250 millones de dólares anuales (Chile sólo exporta algas
secas y por ello recibe 5 millones de dólares). El agar-agar se usa en microbiología
como medio de cultivo. La agarosa, que es una fracción neutra del agar-agar, se
emplea en el laboratorio en electroforesis y cromatografía. Los carraginatos sirven
como agentes gelificantes, estabilizadores y extensores en la industria de alimentos y
como suspensores en muchos procesos industriales. Finalmente los alginatos son
usados como agentes gelificantes.
En EE.UU. se están cultivando estas algas y se piensa que pueden utilizarse para la
alimentación animal y producción de metano. Japoneses y chinos también han
mostrado interés en estas tecnologías. Su interés comercial va a ser mucho mayor si es
que se pueden operar en estos órganos modificaciones genéticas. Con ello se lograría
reducir los costos y llegar a producir nuevos productos aún desconocidos. Por ejemplo,
se está tratando de desarrollar cepas híbridas de algas marinas productoras de agaragar con el fin de hacer la producción más eficiente, utilizando la técnica de fusión
protoplástica.
Algas unicelulares
Las algas microscópicas unicelulares son otra fuente potencial de productos químicos y
material biológico. Se trata de organismos unicelulares que usan la fotosíntesis para
producir energía. Para crecer solo necesitan básicamente luz solar, nitrógeno y
anhídrido carbónico. Ellas ya se utilizan para producir proteína de consumo animal. Son
útiles también para el tratamiento de basuras o para degradar sustancias tóxicas.
Tienen la propiedad de crecer muy rápido.
Una de estas algas (Dunaliella) está siendo cultivada en grandes estanques para
producir beta caroteno, precursor de la vitamina A, cuyo mercado actual supera los 25
millones de dólares anuales. (figura 1) Por otra parte, se está experimentando con otra
microalga, Chlorella, que sintetiza gran cantidad de prolina con el objeto de mantener
una presión osmótica interna adecuada para vivir en el media salino. La prolina es un
aminoácido muy utilizado en la industria farmacéutica. Manipulando la composición del
medio de cultivo, se ha logrado que estas algas acumulen prolina hasta en un 30% de
su peso. El aminoácido se puede extraer sin producir ruptura de la membrana, bajando
la osmolaridad. Al subir nuevamente la osmolaridad, las algas vuelven a sintetizar la
prolina y así esta operación puede repetirse varias veces (figura 1).
Australia está interesada en el cultivo de microalgas coma fuente de proteínas para
alimentación animal y para producir beta caroteno. En Francia, se está estudiando la
producción de hidrocarburos y polisacáridos a partir de microalgas.
A largo plazo, estos microorganismos pueden llegar a ser una fuente renovable de
combustibles líquidos, como el diesel sintético y la gasolina. Muchas especies de
microalgas son capaces de producir lípidos. Estos incluyen, además de ácidos grasos
triglicérido, sustancias similares al petróleo. Desde 1980, el Solar Energy Research
Institute (Colorado, USA), fundado par el Departamento de Energía de los Estados
Unidos (federal), ha diseñado una gran extensión de piletas para el cultivo de
microalgas con el fin de ver la posibilidad de que estas lleguen a ser una fuente de
energía. Para ello pueden utilizar el anhídrido carbónico proveniente de depósitos de
petróleo, que aunque ya se han extinguido, aún contienen dicho gas (figura 2). Todavía
falta mucho por investigar como para que la producción de lípidos y energéticos sea
rentable. En efecto, el costo actual de 1.9 dólares el litro es todavía muy elevado, seis
veces superior al precio del petróleo crudo.
Afortunadamente se ve muy promisoria la posibilidad de modificaciones genéticas en
algas para que produzcan en forma más eficiente los lípidos. Cuando algunas algas
agotan el nitrógeno del medio, dejan de dividirse y acumulan lípidos, hasta llegar a
constituir casi el 90% de la biomasa (figura 3).
El uso comercial de las microalgas va a depender en buena parte de lo que pueda hacer
con ellas la ingeniería genética. Con esta tecnología se podrían obtener algas que
crezcan más rápido, sinteticen más productos deseados y toleren mayores rangos de
condiciones ambientales. Ya se están produciendo algas híbridas, por la técnica de
fusión celular (Universidad de Virginia, USA), pero aún no se ha tenido éxito en la
técnica del DNA recombinante (figura 4).
En Estados Unidos, la enorme y promisoria área de la biotecnología marina ha llevado a
desarrollar un esfuerzo conjunto para establecer un gran centro de investigación. En
esta iniciativa se han unido el Estado de Maryland, la Universidad de John Hopkins, la
Universidad de Maryland y el National Acuarium de Baltimore. El objetivo es lograr la
génesis de nuevos productos a partir de organismos marinos y optimizar su elaboración
mediante la ingeniería genética.
Nosotros tenemos una gran costa que baña un mar con un potencial en gran parte
ignorando, con enormes recursos sin explorar, ni explotar o mal usados, y pareciera
que no se nos ocurre nada que hacer. Todavía estamos discutiendo cada mes de mayo,
si Chile tiene un destino oceánico o si éste es agrícola o minero. Probablemente la
discusión continúa sin que por ese camino se aclare nada. Lo que si podemos asegurar
es que sin desarrollo científico y tecnológico, no tendremos futuro ninguno.
Productos farmacéuticos
Las plantas y los animales han sido extensamente estudiados en búsqueda de nuevas
drogas. No ha sucedido lo mismo con la flora y fauna marina. Recién ahora comienza la
investigación de posibles fármacos provenientes de algas marinas, esponjas, caracoles,
etc. La biotecnología en esta área será de gran ayuda, dado que aunque se conocen
numerosos fármacos provenientes de organismos marinos, no siempre es fácil su
extracción su cultivo. La individualización de las sustancias y su eventual producción
seguramente se verá favorecida por los procedimientos biotecnológicos.
Osamu Shimomura, del laboratorio de biología de Woods Hole, de Massachusetts
(USA), tiene ya una lista impresionante de poderosas sustancias que potencialmente se
podrán aplicar en farmacología.
A fines del año 1983, un grupo de químicos de la Universidad de Cornell (New York,
USA) y del Instituto de Investigaciones del Cáncer de la Universidad del Estado de
Arizona (USA), anunciaron el descubrimiento de una sustancia con alto poder
anticancerígeno en la Búgula meritina, un briozoo marino conocido como esterilla
marina o falso coral. La especie abunda en el Pacifico Oriental donde se deposita en los
cascos de los barcos y contiene un compuesto químicamente similar a algunos
antibióticos.
Trabajando durante 14 años en colaboración con el Instituto Nacional del Cáncer de los
Estados Unidos, los científicos encontraron que cuando el compuesto aislado, llamado
Briostatina-1, era administrado a ratones en dosis extremadamente bajas se mostraba
altamente efectivo contra la leucemia. Bastó una diezmillonésima de gramo para
duplicar la vida de algunos de los ratones enfermos; sin embargo, la droga no parece
frenar el desarrollo de otras formas de cáncer. Los resultados han suscitado esperanzas
de que esta sustancia pudiera ser efectiva contra algunas formas de leucemia humana.
Desgraciadamente, no es fácil obtener briostatina-1. De media tonelada de esterilla
marina se obtienen apenas 100 miligramos de la droga. La ingeniería genética podría
solucionar este problema.
Cifras incalculables de especies prosperan en aguas templadas y la competencia es
muy dura. La vida es especialmente difícil para las algas y los invertebrados de cuerpo
blando; las gorgonias (corales blandos) y los opistobranquios (moluscos sin conchas
externas), han desarrollado complejos productos químicos para protegerse de ser
ingeridos. Los compuestos químicos que hacen a estas criaturas blandas desagradables
a sus predadores son las que las convierten a su vez en interesantes para los
científicos.
William Fenical, químico de la Institución Scripps de Oceanografía de California (USA),
señala que existen 200 o más especies de gorgonias en el Caribe. Es probable, dice,
que contengan sustancias tóxicas porque nadie las ataca y pueden sobrevivir en paz.
Usando este razonamiento, para estrechar su búsqueda entre las innumerables
especies marinas, el grupo de Fenical ha dejado afuera las otras áreas de la biología
marina para dedicarse exclusivamente a la búsqueda de nuevas drogas. Han purificado
y probado cientos de productos químicos, muchos de los cuales son grandes promesas.
Entre estos hay 32 que inhiben la división celular, lo que los hace candidatos para el
tratamiento de tumores e infecciones virales o de hongos y también para el uso como
anticonceptivos masculinos. Otros 15, disminuyen las inflamaciones y algún día puede
que sean efectivos en el tratamiento de la artritis y el reumatismo o en la prevención
de rechazos en trasplantes de órganos.
Otros descubrimientos que vale la pena mencionar son: una droga de uso
cardiovascular que podría reducir la presión sanguínea o regular los latidos del corazón,
una droga de acción neuromuscular para el tratamiento del debilitamiento de los
músculos y una neurotoxina llamada Iofotoxina (LTX). Esta última está siendo usada en
varios laboratorios para estudiar la transmisión de señales químicas entre nervios y
músculos. Los resultados podrían dar pistas en trastornos como el mal de Parkinson, el
cual se asocia con la transmisión defectuosa de estas señales.
La LTX extraída de la gorgonia mexicana es un veneno mortal, el cual se asemeja a la
acción de algunos venenos de serpientes al bloquear los impulsos entre los nervios y
músculos. En dosis mucho menores, la LTX podría llegar a ser la base de una droga
para tratar el estrabismo. Este se produce cuando los músculos en ambos lados de un
ojo ejercen una fuerza desigual. Fenical sugiere que una pequeña cantidad de LTX
podría ser inyectada en el músculo más fuerte para bloquear algunos de los impulsos
neuronales que lo activan. Esto podría debilitar al músculo en forma permanente,
permitiendo al ojo moverse a su posición normal. Otra droga altamente activa
descubierta por Fenical, es la estipoldiona, un compuesto cristalino rojo brillante
encontrado en una especie de alga marina del Caribe, que la hace impenetrable a los
predadores. Ya que la mayoría de las algas marinas en estas aguas no son atacadas
por animales, Fenical pensó que ésta debía contener algún poderoso repelente. Estaba
en lo cierto: cuando puso esta alga en un acuario, casi inmediatamente un solitario pez
empezó a golpearse frenéticamente contra las paredes del vidrio y finalmente saltó
fuera del agua.
Después de analizar el alga, Fenical encontró que la estipoldiona era capaz de inhibir la
división celular. A causa de ese efecto ella esta siendo investigada como una posible
droga contra el cáncer.
Toda esta nueva farmacopea, unida a las técnicas de bioingeniería, sin duda que
significarán un importante progreso para la medicina farmacéutica.
Bibliografía
1. Colwell, R.R.: The Industrial Potential of Marine Biotechnology. Oceanus 14:84,
1984.
2. Colwell, R.R., Pariser, E.R. y Simskey, AJ.: Biotechnology in the Marine Sciences.
John Wiley and Sons, New York, 1984. Proceeding of a 1982 Conferencia en MIT.
3. Feinberg, D.A.: Fuel Option from Microalgae with Representative Chemical
Composition. SERI Report TR-231-2427. Solar Energy Research Institute, Golden, CO,
Julio, 1984.
4. Tucker, J.B: Biotechnology Goes to Sea.: High Technology 5:34, 1985.
Artículo extraído de CRECES EDUCACIÓN - www.creces.cl