Cuando oímos hablar de la palabra Biotecnología se nos pueden venir muchas cosas a la mente: habrá quien se imagine a científicos locos en su laboratorio fabricando seres mutantes o algún tipo de parásito capaz de terminar con toda la humanidad (muy a colación de algunas teorías conspiranoicas que ahora están de moda) o a personas con articulaciones biónicas o superpoderes.
Tal vez haya puesto ejemplos un poco fantasiosos de lo que la gente pueda pensar sobre la Biotecnología, pero sí que es cierto que muchas personas pueden tener una idea algo errónea de qué es la Biotecnología, o tener en mente algunos estereotipos sobre ella que no representan de forma fiel en qué consiste esta ciencia. Por ello, hoy vengo a hablaros de la Biotecnología y cómo puede mejorar nuestras vidas.
Así es como algunas personas se imaginan a los pérfidos científicos encerrados en sus laboratorios, fabricando bioarmas que acabarán con la humanidad en cuestión de días (tal vez me esté pasando un poco, ¿no?) (Fuente).
¿Qué es y qué no es la Biotecnología?
La Biotecnología se define como el uso de los conocimientos en Biología con el fin de mejorar nuestras vidas y el medioambiente (1). Para ello, se manipulan los procesos celulares y biomoleculares con el fin de desarrollar tecnologías que nos permitan conseguir unos objetivos concretos.
Sin embargo, tampoco debemos irnos al nivel molecular para hacer Biotecnología: la agricultura, por ejemplo, es una forma muy antigua y "sencilla" de manipular formas de vida y terrenos con una finalidad tan relevante como alimentar a la humanidad. Además de esto, el proceso de fabricación de productos tan importantes en la Historia del ser humano como el pan, la cerveza o el yogur, también son posibles gracias al uso de la Biotecnología (2). Es decir, que hemos estado durante miles de años haciendo Biotecnología sin saber siquiera qué es un gen o una proteína.
Como os podréis imaginar, la Biotecnología NO es bioterrorismo (aunque esto lo matizaré después). El bioterrorismo es la liberación intencionada de agentes biológicos como bacterias, hongos, virus u otros parásitos con el fin de provocar enfermedades en poblaciones humanas, campos de cultivos o ganado, por poner algunos ejemplos (3). Tal vez os suenen los ataques con ántrax en los Estados Unidos, allá por el año 2001.
Uno de los casos más sonados de bioterrorismo fueron los ataques con cartas inoculadas con ántrax en EEUU poco después de los atentados del 11-S (4) (Fuente).
El agente causante de esta enfermedad es la bacteria Gram-positiva Bacillus anthracis, en concreto, en estos ataques a EEUU se utilizó una cepa conocida con el nombre de Ames (5), haciendo que 22 americanos desarrollasen esta peligrosa enfermedad y de los cuales cinco perdieron la vida.
¿Qué aplicaciones tiene la Biotecnología y cómo se usa?
Vale, ya hemos visto qué es la Biotecnología, pero, ¿para qué sirve exactamente? ¿Cómo nos podemos beneficiar de ella? Para ello, voy a poneros una serie de ejemplos de cómo aplicando esta bonita ciencia se pueden hacer cosas importantísimas para el ser humano.
En primer lugar, voy a hablaros del uso industrial del proceso de fermentación. La fermentación es un proceso bioquímico por el cual se oxidan parcialmente los azúcares hasta obtener como producto final moléculas orgánicas, tales como alcoholes o algunos ácidos, sin necesidad de que haya oxígeno en el ambiente.
En la industria del alcohol, el proceso de fermentación es esencial para poder fabricar productos como el vino o la cerveza, para lo cual se utilizan microorganismos capaces de realizar la fermentación alcohólica, cuyos productos finales son dióxido de carbono (CO2) y etanol (lo que nos pone "contentillos").
El organismo que se utiliza para realizar este proceso fermentativo es la levadura de la cerveza, Saccharomyces cerevisiae, un hongo unicelular que es capaz de transformar los azúcares presentes -en el caso de la fabricación de la cerveza- en el mosto obtenido a partir del remojado de la malta de cebada (que es rica en azúcares como maltosa o maltotriosa)- (6), y convertirlos en CO2 y alcohol etílico. En la fabricación del vino, se lleva a cabo un proceso similar, solo que en vez de añadir el fermento a la malta de cerveza, se lleva a cabo la fermentación sobre el jugo extraído a partir de la uva (el mosto). Además, los tiempos de fermentación suelen ser mucho más largos y no solo se utiliza la levadura S. cerevisiae en el proceso, sino que se pueden utilizar organismos capaces de llevar a cabo otros tipos de fermentación, como las bacterias ácido-lácticas, capaces de llevar a cabo la fermentación láctica (cuyo producto final es ácido láctico), y que son también usadas en la industria láctea para la fabricación del yogur. El uso de bacterias ácido-lácticas, junto al de otras especies de levaduras como S. pombe, es útil para corregir el sabor de aquellos mostos que han salido muy ácidos, ya que estos organismos son capaces de metabolizar el ácido málico y aumentar el pH hasta unos valores óptimos (7).
Este es el aspecto que presenta el mosto que se utiliza para la elaboración del vino, para lo cual es necesario que se den procesos fermentativos que en ocasiones se extienden durante años (Fuente).
Otro ejemplo muy recurrente del uso de la fermentación alcohólica en la fabricación de alimentos es el caso del pan, para el cual se utiliza también a S. cerevisiae para transformar los azúcares presentes en la harina de trigo (como el almidón) para producir etanol (que obviamente se evapora al hornear el pan, y por tanto no nos da el "colocón") y dióxido de carbono, que es el responsable de que el pan se infle y tenga ese aspecto y textura de esponja que tanto nos gustan.
Representación del proceso fermentativo en la fabricación de pan. Los azúcares presentes en la harina de trigo, entre los que destaca el almidón -un polisacárido formado por unidades repetitivas de glucosa-, es degradado y la glucosa resultante es metabolizada por S. cerevisiae mediante fermentación alcohólica, dando como productos finales etanol y CO2 (Fuente).
Aparte del uso de la fermentación en la industria alimentaria, otra de las áreas más relevantes de la Biotecnología es la ingeniería genética. Esta puede ser explicada como el empleo de los conocimientos en Biotecnología para alterar el material genético de un organismo con un fin determinado, para lo cual es indispensable el uso de moléculas de DNA recombinante (8).
Para poder llevar a cabo la fabricación de DNA recombinante (rDNA), es necesario usar, por ejemplo, moléculas de DNA circulares bacterianos (llamadas vectores), que sean capaces de aceptar "trocitos" de DNA de una fuente externa que sean de nuestro interés, y además, hemos de utilizar una serie de enzimas que sean capaces de cortar ese DNA que nos interesa en las regiones adecuadas, junto a otras enzimas que puedan pegar los fragmentos obtenidos en nuestros vectores, obteniendo así la molécula de rDNA resultante de unir el gen que nos interesa a nuestro vector.
En el caso de que introduzcamos dentro del genoma de un organismo un gen procedente de otra especie utilizando en el proceso herramientas de biología molecular (como las enzimas que he mencionado), obtenemos lo que se conoce como un organismo transgénico (9).
Ya hablé por encima en otro post sobre los transgénicos, un tema que es bastante polémico a nivel social (pero no tanto a nivel científico) y que daría para otro post entero (si os interesa ya sabéis, me lo decís y yo hablo sobre ello encantado).
Los organismos transgénicos, al poseer genes que no están presentes en su genoma de forma natural, poseen unas cualidades que antes no tenían. Esto nos puede ser de gran utilidad, por ejemplo, para producir a gran escala proteínas que sean de nuestro interés, como puede ser el caso de la insulina transgénica.
La insulina es una hormona proteica que nuestro páncreas produce como respuesta a unos altos niveles de glucosa en sangre (situación que se da, por ejemplo, tras una ingesta de alimentos), para provocar así que las células del organismo aumenten la tasa de absorción de esa glucosa y restablecer así la glucemia basal. Sin embargo, hay personas cuyo páncreas es incapaz de sintetizar insulina, dando lugar a una de las enfermedades más frecuentes en la sociedad occidental, la diabetes. Estas personas requieren de inyecciones de insulina a diario para poder mantener su salud, y esto, junto al aumento de los casos de diabetes a nivel global, han hecho que la producción de insulina tenga que optimizarse a nivel cuantitativo (y también cualitativo).
Antes de que se produjese la insulina por ingeniería genética, se trataba la diabetes con insulina procedente de páncreas de animales como los cerdos o vacas, lo cual suponía serios problemas de reacciones alérgicas, presencia de contaminantes y un elevado coste de producción debido al poco rendimiento que se podía sacar a la extracción del principio activo -la insulina- a partir del extracto de páncreas (es decir, se necesitaba muchísimo tejido pancreático para obtener cantidades ínfimas de insulina).
Fabricación de insulina a partir de páncreas porcino. En la imagen de la izquierda, vemos a un trabajador examinando los páncreas que llegan a partir de las sobras de la industria ganadera, y en la imagen de la derecha, se ve el proceso de triturado de las muestras de páncreas para la posterior extracción de insulina (Fuente).
La solución a este problema llegó en 1982, cuando la FDA (Food and Drug Administration) autorizó por primera vez el uso de la insulina humana transgénica como fármaco para tratar la diabetes (10) (11). Esto fue posible gracias a la tecnología del DNA recombinante, ya que lo que hicieron fue introducir en unos vectores los genes que codifican las cadenas A y B de la insulina, formando así las moléculas de rDNA, y después las introdujeron en cepas de una bacteria muy usada en biología molecular, Escherichia coli.
Además, fabricaron el rDNA de forma que estas bacterias produjeran grandes cantidades de insulina transgénica, y para poder obtener un buen rendimiento, desarrollaron unos métodos eficaces para la producción, extracción y purificación de la insulina producida por los cultivos bacterianos (12).
Como podréis imaginar, todo esto permitió producir insulina a gran escala, con un precio mucho menor, y además, sin problemas de reacciones alérgicas, ya que como hemos visto las bacterias transformadas poseían los genes de la insulina humana (y no del cerdo o la vaca), y otra gran ventaja de esta tecnología es que ya no había tantos problemas con la presencia de contaminantes (aunque esto se debe también en parte gracias a las mejoras en las técnicas de purificación de proteínas).
Esquema del proceso de transformación de E. coli para la producción de insulina. Si cogemos el gen de la insulina humana (fragmento rojo) y lo introducimos en un vector plasmídico (DNA circular), obtendremos moléculas de DNA recombinante que podremos usar para transformar (es decir, introducir el rDNA) cepas de E. coli, que producirán insulina humana en gran cantidad al expresar el gen de la insulina contenido dentro del vector. Después, extraemos y purificamos esa insulina y, ¡tachán! ya tendremos nuestro fármaco listo para la venta (Fuente).
Los colores de la Biotecnología
Como bien sabréis los que me seguís en Instagram, ya hablé en un post sobre la división de las ramas de la Biotecnología en diferentes colores (13).
En primer lugar, tenemos la Biotecnología Roja, que se centra en las aplicaciones clínicas de la Biotecnología, como pueden ser el diagnóstico genético, el desarrollo de nuevos fármacos o terapias para enfermedades que a día de hoy suponen un desafío importante para la medicina (como son muchas de las enfermedades de base genética, que con técnicas como CRISPR/Cas9 podrían tener cura en un futuro no muy lejano).
La Biotecnología Amarilla es aquella que se aplica en el ámbito de la alimentación y la nutrición (14), centrando gran parte de su estudio en la mejora de las propiedades nutricionales u organolépticas de los productos alimenticios. Ejemplos de ella serían: la mejora genética de cultivos, mediante el estudio de la función de genes en plantas y así poder elegir las mejores variedades para hacer cruces, el desarrollo de plantas transgénicas con propiedades interesantes para el consumidor o el agricultor, y además, estos últimos años se está llevando a cabo mucha investigación en insectos (15), ya que algunos poseen propiedades interesantes que podrían servirnos para que, a través de técnicas de ingeniería genética, podamos mejorar algunos de nuestros alimentos (con el mogollón de bichitos que hay, alguno nos tendrá que aportar algo interesante, ¿no?). Otro ejemplo que podríamos incluir sería el del ya mencionado tantas veces arroz dorado, que posee mejores características nutricionales que el arroz convencional (mayor cantidad de precursores de vitamina A).
La Biotecnología Verde es básicamente la que centra su estudio en organismos vegetales, pudiendo aplicarse en campos como la agrobiotecnología, la agricultura, biotecnología ambiental, o en el desarrollo de biocombustibles (aquellos derivados de la biomasa, como la madera o el ya mencionado etanol, que además supondrían una fuente de energía renovable, aunque no exenta de desventajas) (16).
Os presento al organismo modelo por excelencia en Biología Vegetal, nuestra querida Arabidopsis thaliana. Casi todos los avances en Biotecnología Verde que he mencionado y que irán apareciendo en nuestras vidas durante los próximos años habrán sido posibles gracias a que se hicieron estudios en Arabidopsis antes de empezar a trabajar con especies de interés comercial (Fuente).
La Biotecnología Marrón se centra en el estudio de ecosistemas áridos y cómo mejorar la gestión de recursos hídricos y cultivos en los mismos. Este campo de la Biotecnología es muy importante, por ejemplo, en el continente africano, donde 2/3 de la superficie terrestre son regiones secas o desérticas, lo que propicia (aparte de otros muchos factores) la pobreza extrema que por desgracia azota a esas regiones (17).
La Biotecnología Negra u Oscura sería aquella relacionada con lo que comentamos al principio del post: creación de armas biológicas, bioterrorismo, destrucción de cultivos... Ya, lo sé, al principio dije que el bioterrorismo no forma parte de lo qué es la Biotecnología, pero como ocurre en todos los ámbitos de la vida, siempre hay malas personas (que por suerte suponen una gran minoría en este campo) que se dedican a hacer malas prácticas y a abusar de sus recursos.
Aquí quiero hacer una pequeña reflexión sobre el uso poco ético de la Ciencia: yo no considero que el problema resida en la propia Ciencia o en el ritmo vertiginoso al que avanza la misma -que nos permite hacer cosas prácticamente inimaginables hace no muchos años-, sino que el problema está en cómo se usa la Ciencia y con qué fin.
Es un poco como el ejemplo del cuchillo (bastante explotado, lo sé, no he sido muy original): tú puedes usar un cuchillo con fines muy diferentes, como por ejemplo, emplearlo para cortar una cebolla y hacerte una ensalada. Hasta aquí todo guay, pero si lo usas para ir por la calle sembrando el pánico o ensartar a todo el que pilles, pues oye, tal vez eso no sea muy ético del todo.
Así que bueno, termino ya con esta chapa sobre Filosofía de la Ciencia (muy importante en nuestro campo, por cierto) y seguimos con unos pocos tipos más de nuestra colorida Biotecnología.
Muchas veces se nos olvida la importancia que tiene la Filosofía en muchos ámbitos de nuestras vidas. En concreto, la Filosofía de la Ciencia es fundamental para evitar que a los científicos se les vaya la pinza con tanto avance y progreso (Fuente).
Vayamos ahora a la Biotecnología Dorada, aquella relacionada con el ámbito de la Bioinformática y la Nanobiotecnología: esta sería la rama biotecnológica más "joven" o que mayor auge está experimentando en este momento (es lo que tiene la Era Digital). Dentro del ámbito de la bioinformática encontramos toda serie de programas, softwares y bases de datos que nos permiten almacenar, procesar y analizar una vastísima cantidad de información biológica, como pueden ser las secuencias de DNA de los diferentes organismos, las secuencias aminoacídicas y las estructuras tridimensionales de proteínas, o incluso ya hay softwares como AlphaFold2 que nos permiten predecir con enorme precisión la estructura tridimensional de una proteína a partir de su secuencia de aminoácidos (18) en un periodo de tiempo mucho menor que el que se requiere en ciertas ocasiones para dilucidar la estructura de una proteína por métodos experimentales como la criomicroscopía electrónica o la difracción de rayos X. En cuanto a la nanobiotecnología, esta se encarga de aplicar los últimos avances en nanotecnología al campo de las ciencias biológicas, como puede ser el caso de nanopartículas que nos permiten monitorizar procesos celulares, detectar marcadores patológicos, e incluso tratar enfermedades a través de dispositivos nanotecnológicos (19) (20). Un ejemplo a destacar sería también el uso de nanopartículas como vía de administración de fármacos específica y dirigida, como podría ser el caso de las nanopartículas lipídicas, que son de hecho el vehículo de delivery del principio activo de las vacunas contra la COVID-19 de Pfizer-BioNTech (21) y Moderna (22): el mRNA que codifica la proteína espicular (spike protein) del SARS-CoV-2.
Estructura tridimensional de la proteína S del SARS-CoV-2. Conformación cerrada de la proteína espicular del coronavirus con la mutación D614G. Imagen tomada mediante microscopía electrónica, con una resolución de 3.60 Å (Captura de pantalla tomada del visualizador 3D del PDB. Código: 7BNM) (Artículo original).
Y ya por último, hablaremos de la Biotecnología Gris. Antiguamente, hacía referencia al estudio de los procesos fermentativos y la tecnología de los bioprocesos. Como ejemplos podemos poner los casos que mencionamos al principio del post, como la fermentación a nivel industrial con el fin de fabricar productos como bebidas alcohólicas o pan (fermentación alcohólica), y productos lácteos como el yogur o el kéfir (fermentación láctica en ambos casos, aunque para la elaboración del kéfir se utilizan además bacterias que realizan fermentación acética -que tiene como producto final ácido acético- y levaduras que realizan fermentación alcohólica, de ahí que el kéfir posea pequeñas cantidades de etanol) (23).
Hoy en día, este color de la Biotecnología designa el empleo de microorganismos o plantas con el fin de preservar el medioambiente (24). Según el objetivo con el que se utilice, podemos dividir a la Biotecnología Gris en dos tipos principales, en función de la forma en la que ayuda a conservar nuestro planeta: la que se usa con el fin de mantener la biodiversidad o para la eliminación de contaminantes en los ecosistemas.
Un ejemplo paradigmático de este último caso es la biorremediación, es decir, la aplicación de los microorganismos con el fin de eliminar contaminantes del medio o transformarlos en sustancias menos peligrosas para el entorno. Esto es posible ya que existen especies bacterianas capaces de transformar diversos contaminantes de naturaleza orgánica utilizándolos como su fuente de carbono.
Según el sitio donde estos microorganismos lleven a cabo su función de descontaminación, se puede clasificar la biorremediación en dos tipos: in situ -cuando ejercen su función en el propio entorno contaminado- o ex situ -fuera del sitio contaminado-. Este último ejemplo se lleva a cabo cuando las condiciones del medio a tratar son desfavorables para la supervivencia de los organismos que se van a emplear para la biorremediación, como pueden ser el frío excesivo, o una baja accesibilidad/disponibilidad de nutrientes (25).
Las principales ventajas de la biorremediación respecto a otros métodos de descontaminación radican en que los microorganismos suelen liberarse en los suelos de los ecosistemas, lo que hace que no se altere en exceso la fauna y flora de la zona, y además, al emplear únicamente procesos naturales para la descontaminación, se minimiza el posible impacto negativo sobre el ambiente (ojo, que esto de que sea un proceso natural no implica que sea necesariamente algo fantástico, tampoco caigamos en la falacia naturalista).
No todo lo natural es fantástico. Pensar que todo aquello que nos da la "Madre Naturaleza" es sanísimo y que lo artificial daña nuestra salud es completamente falaz. De hecho, en esta imagen estáis viendo la estructura molecular de la sustancia más tóxica que existe para el ser humano, la toxina botulínica (que por cierto, es 100% natural, y sin conservantes ni colorantes) (Fuente).
Conclusiones
Como hemos visto, la Biotecnología es una rama de la Biología que nos ayuda a tener una vida mejor y más sencilla en muchos aspectos. Además, se trata de un campo muy extenso, en el que confluyen un montón de disciplinas científicas que no solo tienen que ver con las ciencias biológicas, como pueden ser la informática, la ingeniería o las matemáticas (que están en tos laos...).
Como todo en esta vida, es el uso que se haga de la Biotecnología lo que va a hacer que se lleven a cabo acciones éticas o poco éticas, y no es la propia Biotecnología en sí la que determina esto. De hecho, gracias al uso correcto de esta maravillosa ciencia, muy probablemente podremos en un futuro erradicar enfermedades que a día de hoy no podemos curar, dar de comer a la población de países empobrecidos o con problemas de obtención de materias primas, y mejorar la gestión de los recursos que nos otorga nuestro planeta, además de frenar uno de los grandes problemas al que nos enfrentamos como sociedad en este siglo XXI, el cambio climático (antropogénico).
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Referencias
2. https://www.britannica.com/technology/biotechnology
3. https://www.cdc.gov/anthrax/bioterrorism/index.html
4.https://www.fbi.gov/history/famous-cases/amerithrax-or-anthrax-investigation
5. Spencer, R. C. (2003).
Bacillus anthracis. In Journal of Clinical Pathology (Vol. 56, Issue 3,
pp. 182–187). https://doi.org/10.1136/jcp.56.3.182
6. https://beerandbrewing.com/dictionary/nfffzoYQNF/
7. https://www.britannica.com/topic/wine/Fermentation
8. https://www.genome.gov/genetics-glossary/Genetic-Engineering
9. Pray, L. (2008). Recombinant DNA
Technology and Transgenic Animals | Learn Science at Scitable. Nature
Education. https://www.nature.com/scitable/topicpage/recombinant-dna-technology-and-transgenic-animals-34513/
10. Baeshen, N. A., Baeshen, M. N.,
Sheikh, A., Bora, R. S., Ahmed, M. M. M., Ramadan, H. A. I., Saini, K. S.,
& Redwan, E. M. (2014). Cell factories for insulin production. Microbial
Cell Factories, 13(1). https://doi.org/10.1186/s12934-014-0141-0
11. https://www.biospace.com/article/first-recombinant-insulin-marks-36th-year-of-dna-technology/
12. Goeddel, D. V., Kleid, D. G., &
Bolivar, F. (1979). Expression in Escherichia coli of chemically synthesized
genes for human insulin. Proceedings of the National Academy of Sciences of
the United States of America, 76(1), 106–110. https://doi.org/10.1073/pnas.76.1.106
13. Dasilva, E. J. (2004). The colours
of biotechnology: Science, development and humankind. In Electronic Journal
of Biotechnology (Vol. 7, Issue 3). https://doi.org/10.4067/S0717-34582004000300001
14. https://explorebiotech.com/about-yellow-biotechnology/
15.https://www.biotechbug.in/2021/05/overview-of-yellow-biotechnology.html
16. https://www.britannica.com/technology/biofuel
17. https://explorebiotech.com/about-brown-biotechnology/
18. Jumper, J., Evans, R.,
Pritzel, A. et al. Highly accurate protein structure
prediction with AlphaFold. Nature (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03819-2
19. https://www.nature.com/subjects/nanobiotechnology
20. Mussin, J.,
Robles-Botero, V., Casañas-Pimentel, R. et al. Antimicrobial
and cytotoxic activity of green synthesis silver nanoparticles targeting skin
and soft tissue infectious agents. Sci Rep 11, 14566
(2021). https://doi.org/10.1038/s41598-021-94012-y
21. https://www.fda.gov/media/150386/download
22. https://www.fda.gov/media/144636/download
23. https://www.sciencedirect.com/topics/food-science/kefir
24.https://www.biotechbug.in/2021/05/overview-of-grey-biotechnology.html
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