V. ALTERANDO LOS PLANOS DE LA VIDA.
COMO ya hemos apuntado, la humanidad ha utilizado para su beneficio a los seres vivos desde épocas inmemoriales. Muchas veces por accidente, y otras con gran ingenio y acuciocidad, se han ido descubriendo maneras de obtener mejoras en las variedades animales y vegetales que utilizan las diversas culturas, así como en los procedimientos que emplean para servirse de ellas. Las revoluciones agrícolas, la domesticación de animales y la producción de vino, cerveza, queso y yogurt, no son más que diversas manifestaciones de la biotecnología.
Lo que podemos llamar "nueva biotecnología" o biotecnología moderna, es la que se sirve de las técnicas de ADN recombinante para realizar la mejora de los seres vivos, con miras a su utilización. El impacto del ADN recombinante ha sido profundo. Se habla hoy, por tanto, de que nos encontramos en la era de la biotecnología.
En este capítulo apuntaremos algunas de las maneras como se pueden utilizar las capacidades de identificación y manipulación de genes para la obtención de productos o procesos útiles al hombre. Con base en los conceptos fundamentales descritos en los capítulos anteriores, creo que será más fácil comprender las implicaciones que tienen estos avances tecnológicos, así como las dificultades y limitaciones que condicionan su desarrollo.
Desde los albores de la ingeniería genética muchos intuyeron su inmenso potencial. Sin embargo, en un principio, las metodologías y herramientas biológicas con las que se contaba eran muy limitadas. En poco más de 15 años disponemos ahora de un verdadero arsenal de técnicas que permiten avances cada vez más importantes Creo que, a pesar de que nuestra capacidad de asombro se encuentra muy disminuida, la moderna biotecnología nos seguirá maravillando durante un buen tiempo. Los grandes avances también pondrán a prueba nuestra capacidad de adaptación y asimilación de cambios, en el contexto de los valores prevalentes en nuestras sociedades.
UNA APLICACIÓN INMEDIATA: PRODUCCIÓN DE PROTEÍNAS HETERÓLOGAS
Casi inmediatamente después de que se realizaron los primeros experimentos
de ADN recombinante, se iniciaron intentos para aplicar esta nueva
capacidad (véase recuadro V. 1). Parecía claro que si se era capaz de transferir
un gene externo al interior de una bacteria, también se podría hacer que esa
bacteria fabricara el producto codificado por este gene. Surgió entonces la
idea de producir proteínas útiles mediante este mecanismo. Es importante hacer
notar que ésta es sólo la aplicación mas simple e inmediata de la ingeniería
genética: obtener el producto de la expresión de un solo gene dentro de la bacteria
más conocida. Aun así, en la época en que se iniciaron los trabajos pioneros
en este campo, expresar un gene externo en E.colí constituía un reto
de proporciones significativas.
La proteína con la que se decidió probar si tal objetivo era posible fue la somatostatina. Esta es una pequeña hormona proteica cuya principal virtud es, precisamente, ser una molécula pequeña. Al final de los años setenta no era aún posible obtener genes humanos a partir de su fuente natural, por lo que se decidió sintetizar químicamente el gene correspondiente (véase en el capítulo II el recuadro II.4). A este trabajo siguió otro con un objetivo más útil: expresar la hormona insulina humana en E. coli. Hasta entonces, toda la insulina que se utilizaba para el manejo de diabéticos se obtenía de cerdos sacrificados en los rastros, con la consecuente amenaza de escasez. Además, la insulina porcina no es idéntica a la humana, por lo que su uso causaba, en ocasiones, efectos secundarios indeseables. Nuevamente, el gene fue sintetizado químicamente (por supuesto, con la secuencia correspondiente exactamente a la hormona humana) y donado en vectores que permitían su expresión dentro de la bacteria, es decir; situado frente a regiones que promovieran su transcripción (véase el recuadro IV 1). A partir de entonces, la producción bacteriana de insulina humana se ha convertido en un proceso comercial, y el producto se puede comprar hoy día en las farmacias.
La corta descripción anterior no hace justicia a la gran cantidad de problemas
prácticos a los que se enfrentaron antes de lograr el objetivo. Pero los obstáculos
no impidieron que se iniciaran los trabajos para obtener otras proteínas humanas
de gran valor. Entre éstas podemos contar la hormona del crecimiento, útil en
los casos de enanismo, entre otras. Los genes necesarios para esta segunda generación
de productos proteicos empezó a provenir de sus fuentes naturales; en el caso
de la hormona del crecimiento, a partir de ADNc (véase el recuadro
III.2) obtenido de la glándula hipófisis. Por desgracia, muchas de estas proteínas
se producen naturalmente con alteraciones propias de los organismos eucariontes,
que ocurren después de la traducción, y que no sucede en las células bacterianas.
Se hacía necesario entonces desarrollar nuevos métodos de expresión de proteínas,
utilizando células eucariontes.
Expresión de proteínas en sistemas no bacterianos
Conforme las técnicas de ingeniería genética fueron avanzando, diversos microorganismos y células en cultivo empezaron a ser susceptibles de transformación. Así, hoy disponemos de levaduras y otros hongos unicelulares (que son organismos eucariontes) que se utilizan como fábricas de proteínas. También se emplean líneas celulares de insectos o de seres humanos que se cultivan libremente en botellas. Con estos sistemas se obtienen proteínas exactamente equivalentes a las humanas, o de alguna otra especie que se requiera.
Además de las hormonas, existen otras muchas proteínas de utilidad terapéutica que se han obtenido mediante ingeniería genética (véase el recuadro V.2), gracias a esta batería de sistemas de expresión, entre las que encontramos vacunas, factores de crecimiento y regulación celular, factores de coagulación, etcétera.
Quizás el avance más significativo, en relación con la fabricación de proteínas de alto valor; sea, sin embargo, la posibilidad de expresarlos en animales o plantas transgénicos (véase más adelante).
Proteínas de interés industrial
Hemos revisado algunas aplicaciones médicas de las proteínas producidas por la ingeniería genética, que han sido las más abundantes hasta el momento, pero de ninguna manera las únicas posibles. Como se dijo anteriormente, si analizamos nuestro entorno desde la perspectiva de un biólogo molecular podríamos decir que la biosfera es producto de las proteínas. Todas las transformaciones que ocurren por mediación de los seres vivos son, de una u otra manera, llevadas a cabo por las proteínas. Por ejemplo, materiales como la madera, el hule, el algodón y la lana. También las funciones más complejas como la visión, la fotosíntesis, etcétera.
La sobreproducción de proteínas por medio de la ingeniería genética permite el acceso a las herramientas que utilizan los seres vivos para transformar su entorno y realizar sus funciones. Con estas proteínas se pueden efectuar procesos útiles y novedosos. Véase el capítulo siguiente, "Biocatálisis e ingeniería de proteínas" donde se tratará este aspecto con más detenimiento.
ANIMALES TRANSGÉNICOS, GRANJAS MOLECULARES
Hace unos siete años, en una reunión científica conocí a un investigador, quien estaba por regresar a México, y que durante su doctorado había desarrollado métodos mejorados para el cultivo de células animales. Su trabajo le permitía la producción directa de anticuerpos en estas células. Cuando le pregunté si sentía que éste sería el futuro de la producción de anticuerpos (en vez de producirlos naturalmente en animales como conejos, caballos o cabras, como se hacía hasta entonces), él contestó que creía que más bien se haría en animales transgénicos. En aquel entonces me pareció muy importante que este científico, recién doctorado, tuviera la visión para prever que su trabajo podría ser desplazado en el futuro por otros avances. Por otra parte, pensé que la posibilidad que comentábamos estaba muy distante en el futuro.
Sorprendentemente, para mí, podemos decir que este futuro ha llegado ya. Las
investigaciones con sistemas de microinyección y cultivo de embriones, en la
actualidad, permiten introducir genes a varias especies en forma estable, entre
las que se encuentran las ovejas. Quizás algunos lectores intuyan la implicación
de esto. A partir de las ovejas se obtienen grandes cantidades de leche, rica
en proteínas. En efecto, en la medida que sabemos acerca de la expresión de
los genes de la glándula mamaria, podemos pensar en manipular este sistema para
que se elaboren en ella productos diferentes. Utilizando estos conceptos, ya
existen los primeros animales transgénicos que producen proteínas de interés
médico. Uno de los primeros ejemplos lo constituye el caso de la a-1
antitripsina humana, que se utiliza en la terapia de una carencia hereditaria,
bastante frecuente, que condiciona el enfisema. Desgraciadamente, aunque la
administración de esta proteína permite una vida saludable, había que obtenerla
de suero humano, en grandes cantidades, para sostener las dosis requeridas por
un alto número de enfermos. Esta situación orilló al gobierno de Estados Unidos,
por ejemplo, a regular y limitar el uso de este tratamiento, por lo que resultó
un objetivo atractivo para desarrollar un sistema de alta producción. Para lograr
este propósito, investigadores británicos crearon moléculas de ADN
recombinante donde se combinó el gene que codifica para la a-1
antitripsina humana, colocado frente a la región regulatoria del gene de la
ß-lactoglobulina (una de las proteínas de la leche) ovina. Al microinyectar
este gene en embriones de borrego, se logra, en algunos casos, integrar establemente
al genoma, y que se herede en generaciones sucesivas. En algunas de estas ovejas
transgénicas, el gene se expresa específicamente en la glándula mamaria, y se
obtiene leche con grandes cantidades de a-1 antitripsina
humana. Estas ovejas han producido hijas que mantienen esta característica.
¡Se dispone ahora de un rebaño de ovejas que constituyen una fuente inagotable
de la proteína!
La posibilidad de utilizar "granjas moleculares" en las que los animales producen leche proteínas de altísimo valor y utilidad es realmente un triunfo mayúsculo de la biotecnología moderna. Pensemos que, con gran seguridad, en pocos años los enfermos con deficiencias de alguna de estas proteínas, por ejemplo los hemofílicos, dispondrán de una fuente relativamente barata para conseguirlas. Recientemente se anunció ya la obtención de vacas transgénicas.
Los animales transgénicos también pueden usarse para muchos otros propósitos. Me limitaré a citar sólo dos ejemplos ilustrativos adicionales:
El primer ejemplo lo constituye la creación de animales modelo para experimentación,
como ratones con genes que los predisponen a adquirir cáncer; o ratones con
genes mutantes que manifiestan síntomas como los de la fibrosis quística (véase
en el capitulo III, "Aislamiento de los genes responsables de enfermedades hereditarias").
En otro ejemplo ilustrativo, en el que participarán investigadores del Instituto
de Biotecnología de la UNAM, se explorará la posibilidad de utilizar
mosquitos transgénicos, resistentes al plasmodio (protozoario causante del paludismo),
para controlar la proliferación de este microorganismo en las zonas tropicales.
La lista de posibilidades, en proceso y en proyecto, es verdaderamente impresionante.
PLANTAS TRANSGÉNICAS, LA NUEVA REVOLUCIÓN VERDE
Más adelante en este mismo capítulo ("El diagnóstico molecular", p. 132) describiremos los procedimientos fundamentales para la producción de plantas transgénicas. Nos preguntamos ahora ¿qué posibilidades se abren para beneficiar las plantas existentes, por medio del trasplante de genes? Aun cuando, en este momento, las probabilidades técnicas permiten visualizar fundamentalmente la introducción de sólo un gene a la vez, ya se han obtenido logros notables. Analicemos algunos ejemplos.
Uno de los problemas que se han generado a partir del cultivo intensivo es el uso exagerado de fertilizantes y pesticidas. Debido a esto, el desarrollo de bioinsecticidas ha recibido importante atención en los últimos tiempos. En particular, el microorganismo, Bacillus thuringiensis, que naturalmente produce una proteína tóxica (toxina BT) para diversas especies de artrópodos (insectos y arácnidos, por ejemplo). Estas bacterias pueden ser cultivadas y administradas a los cultivos, y constituyen un insecticida biodegradable y seguro. El paso siguiente consistió en introducir el gene que codifica para esta toxina a una planta de tabaco (por supuesto fusionado a una región regulatoria que permitiera su expresión en la planta, particularmente en las hojas). Las plantas transgénicas resultantes son inmunes a las larvas de palomillas que normalmente merman este cultivo. Al cabo de consumir un poco de la hoja, la larva se vuelve inactiva y muere, envenenada por la toxina BT. Es importante resaltar que esta toxina es completamente inocua para otros animales, incluido, desde luego, el ser humano.
Una característica muy interesante del reino de las plantas es que para vivir se han adaptado a ambientes extremos, ya que no pueden huir de ellos. Así, encontrarmos plantas capaces de vivir en condiciones de sequía, salinidad, etc. También los vegetales han desarrollado funciones para defenderse de ser ingeridas indiscriminadamente. Cada especie animal gusta sólo de ciertas plantas y las puede comer sin enfermarse.( Por encima de todo esto, los seres humanos tendemos a ser muy selectivos en nuestra alimentación. Algunos de nosotros sólo compramos frijol "flor de mayo", sin importarnos si nos resulta un poco más caro, o si sus propiedades alimenticias no son tan buenas como las de alguna otra variedad. Así que no todas las características apreciadas se encuentran juntas en la misma planta. Típicamente encontraremos que unas variedades son sabrosas, otras son nutritivas, otras más, resistentes a las inclemencias del clima, etcétera.)
La nueva biotecnología de plantas nos permitirá ir introduciendo, al principio uno por uno, los genes que se vayan identificando como responsables de conferir ciertas características atractivas a las variedades de plantas que nos son más útiles.
El primer ejemplo de una planta transgénica que se encuentra en explotación comercial atañe precisamente a uno de los aspectos "frívolos" de nuestras costumbres alimenticias. En relación con este caso, recuerdo algo que hoy me divierte mucho y se remonta a cuando me encontraba en California, capacitándome en la tecnología de síntesis química de ADN. Mi hermano Jorge, quien se dedica a la ecología, se encontraba entonces en Inglaterra haciendo su doctorado. Al saber que yo estaba participando en la tecnología, entonces naciente, de la ingeniería genética, me decía en una de sus cartas, que hiciera el favor de clonarle "el gene del sabor de los jitomates". Los jitomates ingleses no sabían a nada. Este no pasaba de ser un comentario locuaz en aquella época. A 13 años de distancia se convirtió en algo visionario.
Resulta que los jitomates, como muchas otras frutas, siguen madurando una vez
que se cortan de la planta, Pero no es lo más adecuado porque no alcanza el
mejor sabor y, por supuesto, eventualmente hace que la fruta se pudra. Se recurre
entonces a cortar la fruta verde para prolongar su vida de anaquel. Cuando llega
al consumidor parece madura, pero su sabor deja mucho que desear. Para resolver
este problema, una compañía biotecnológica californiana desarrolló el jitomate
flavr-savr (sabor rescatado). El truco utilizado es muy ingenioso. El
objetivo era "apagar" la expresión del gene que codifica para la enzima fundamentalmente
responsable del proceso de maduración (y putrefacción posterior), pero había
que hacerlo justo después de que la fruta se cortara de la planta. De esta manera,
se podía dejar madurar el jitomate hasta su término, cortarlo, y suspender el
proceso de maduración, prolongando la vida de anaquel de una fruta que ya adquirió
su sabor óptimo. El mecanismo para inhibir la expresión del gene mencionado
se conoce como tecnología antisentido. Con esta tecnología se transforma el
organismo con un gene artificial que contiene una región de control, activado
en el momento apropiado, seguido de un segmento que, al ser transcrito, produce
un ARN complementario (es decir, en sentido contrario) al gene
que se desea inhibir. De esta manera, se pueden "apagar" genes selectivamente
en determinadas condiciones, casi sin alterar el resto de los procesos celulares,
dada la gran especificidad que muestra el ARN antisentido. Esta
tecnología se aplicó exitosamente en el jitomate, y se obtuvo un producto claramente
superior al disponible previamente. Más adelante describiremos cómo se puede
aplicar una tecnología similar para combatir; por ejemplo, la replicación de
virus.
Nuevamente me he limitado a citar algunos ejemplos, particularmente atractivos desde mi punto de vista, pero que de ninguna manera constituyen una muestra representativa de las técnicas actualmente en desarrollo. Espero que el lector interesado encuentre información adicional en otras fuentes pero que con ejemplos de este libro tenga presentes los logros obtenidos, y que al mismo tiempo conozca cuáles son sus limites hasta a la fecha.
EL VALOR DE LA BIODIVERSIDAD EN EL CONTEXTO DE LA BIOTECNOLOGÍA MODERNA
Con los ejemplos anteriormente citados, creo que el lector puede tener una sensación más clara de cómo, trabajando con las herramientas disponibles, las modalidades de manipulación que la ingeniería genética ofrece, conduce a la aplicación de técnicas con características totalmente revolucionarias. Me quiero permitir ahora hacer una elucubración personal en relación con un tópico de gran actualidad: el de la biodiversidad, en el contexto de la nueva biotecnología.
Está claro que quienes habitamos el planeta tierra lo compartimos con millones de diversas especies. Vemos el caso de los seres humanos, que han considerado los recursos naturales objeto de uso y explotación, muchas veces en forma indiscriminada. La cultura moderna fomenta cada vez más un sentido de respeto y preservación de todo lo que nos rodea. En este sentido, las nuevas armas de la biotecnología pueden utilizarse, y se ha hecho acopio de ellas para el mejor conocimiento y conservación de los recursos bióticos. ¿Qué podemos decir; sin embargo, de la faceta de explotación de los recursos naturales? Es en este ámbito donde algunos de los detractores de la biotecnología encuentran un campo fértil.
En forma simple, su argumentación consiste en señalar que las capacidades de manipulación nos llevarán a destruir y alterar los ecosistemas de manera irreversible. En el epílogo de este libro expreso algunos puntos de vista en este sentido. Por el momento, sin embargo, me limitaré a dar una visión sobre nuevas modalidades de explotación de recursos bióticos que considero pueden ser material de reflexión.
Uno de los aspectos que se destacan con más insistencia sobre el valor de las especies es la riqueza que representan en términos de sustancias con posible valor terapéutico. En mi opinión, este aspecto valioso de la biodiversidad irá disminuyendo paulatinamente (véase en el capítulo siguiente, "Aplicaciones de la información estructural") quizá más pronto de lo que imaginamos.
Por otro lado, es muy importante comprender que la capacidad de manipulación
de organismos complejos permanecerá, probablemente durante mucho tiempo,
en niveles muy modestos. Se pueden alterar uno o más genes, pero es completamente
impensable en la actualidad, cómo podríamos crear un organismo nuevo y diferente,
por simple que éste fuera. La complejidad que representa tal ejercicio tiene
una magnitud superior a la que hoy vislumbramos para realizar (véase, por ejemplo,
la discusión sobre las ideas de Parque Jurásico, en el capítulo anterior;
"Recuperación del ADN fósil mediante la reacción en cadena de polímerasa
(PCR)"). Así pues, la biodiversidad que han creado miles de millones
de años de evolución constituye un tesoro irrepetible, mucho más complejo de
lo que podemos siquiera entender; no se diga recrear. Nuestro papel es, por
el momento, preservarlo y estudiarlo. Seguramente, en muchos casos lo podremos
utilizar en formas que hoy día ni siquiera imaginamos.
Terminaré esta sección describiendo un ejemplo de lo que la diversidad biológica requiere para llevar a cabo objetivos específicos, abordables en el futuro inmediato.
Un ejemplo: la ingeniería de las vías metabólicas
Es bastante conocido que los antibióticos, los medicamentos que más éxito han tenido en la farmacología moderna, se tienen a partir de microorganismos mediante procesos de fermentación. Con las técnicas de genética microbiana se ha logrado mejorar notablemente este proceso de producción.
Cuando Fleming descubrió hace varias décadas que el hongo Penicillium producía una sustancia que inhibía el crecimiento de las bacterias, la cepa con la que trabajaba (un simple hongo del pan), manufacturaba cantidades minúsculas del antibiótico. Hoy día, las cepas de Penicillium que se utilizan comercialmente han sido manipuladas para producir cientos o miles de veces mayor cantidad de penicilina. Durante mucho tiempo estas manipulaciones se realizaron a través de procedimientos de genética microbiana clásica. Más recientemente, por supuesto, se han empleado técnicas de ADN recombinante para lograr refinar aún más la producción de antibióticos. Un asunto notable es que la penicilina se sigue produciendo a partir del hongo Penicillium. No ha resultado posible, ni deseable, empezar a producirla, por ejemplo, en Escherichia coli. Tomemos en cuenta que la producción de un antibiótico se presenta en lo que se denomina metabolismo secundario. Estas vías bioquímicas son propias y específicas de ciertos organismos, pero no se encuentran presentes en otros. Para poder trasplantar la capacidad de producir un antibiótico a un organismo diferente, tendríamos que clonar toda una batería de genes. Además de esto, los sustratos que inician el proceso biosintético no necesariamente están disponibles en células de especies alejadas. En el caso de los antibióticos, se ha logrado hacer trasplantes, como los mencionados, a otros organsimos parecidos, por ejemplo la levadura.
De la discusión anterior podemos hacer una conclusión interesante. Más allá de la expresión de un gene específico, o de una serie de ellos, hay todo un entorno bioquímico que permite producir ciertas sustancias en unas células, pero no en otras. ¿Cómo podríamos entonces aplicar la ingeniería genética para producir moléculas pequeñas útiles? Precisamente mediante el estudio y manipulación de muy diversos organismos, previamente adaptados para hacer algo parecido a lo que necesitamos. De esto trata la ingeniería de las vías metabólicas.
Sería extraordinario que pudiéramos producir cualquier sustancia de la misma manera que hoy se producen los antibióticos. El proceso de fermentación es más limpio que un proceso sintético industrial. Por desgracia, la mayoría de los productos químicos que utilizamos no tienen mucho que ver con lo que los seres vivos producen. En la medida que conocemos la bioquímica de los organismos, y aprendemos a transformarlos genéticamente, podremos, sin embargo, seleccionar los más adecuados para producir sustancias específicas.
Uno de los ejemplos actuales de la aplicación de esta tecnología se halla en la fabricación del colorante índigo, que se usa para la tinción de la mezclilla. Este colorante se puede obtener de fuentes vegetales, pero el proceso ha resultado poco competitivo con la síntesis química. En épocas recientes, mediante procesos de ingeniería genética, se han podido introducir en genes E. coli que le permiten producir índigo. Se trata de unos pocos genes que producen enzimas capaces de transformar un producto del metabolismo primario (presente en muchas especies microbianas) en índigo. Además de introducir estos genes, ha sido necesario alterar algunos de los procesos metabólicos naturales de E. coli para lograr aumentar la productividad. Gracias al conocimiento de esta bacteria, y a la herramienta de la ingeniería genética, se han podido alterar específicamente ciertos genes, de manera dirigida.
Los primeros ejemplos de la alteración del metabolismo de microorganismos nos indican que aunque resulta difícil, esta tecnología es posible. Creo que podemos imaginar un futuro, no demasiado lejano, en el que podamos programar microorganismos o plantas para fabricar productos farmacéuticos específicos. Quizá en el futuro los antiinflamatorios que hoy se producen por síntesis química puedan ser elaborados mediante fermentación, o a través de un cultivo agrícola.
Muchos de nosotros hemos experimentado lo importante que es tener un diagnóstico preciso para poder contender contra una enfermedad. Un enfermo puede desfilar frente a diferentes médicos, de todos tipos, en su desesperación por lograr que le digan precisamente qué mal padece. Ciertamente, una de las más importantes cualidades de un médico debería ser un diagnóstico certero.
A través de la historia, los médicos han confiado en métodos muy variados para llegar al diagnóstico. Explorar al paciente, preguntarle cómo se siente, observar signos, interrogarlo sobre los síntomas, son técnicas que se han usado durante siglos. La medicina moderna, sin embargo, recomienda con mucha frecuencia practicar algunos "estudios".
En la actualidad, la mayoría de los análisis practicados, en lo que se refiere a estudios bioquímicos o infectológicos consisten en procedimientos relativamente complicados, diseñados específicamente para cada caso. Por ejemplo, un estudio para determinar la presencia de amibas requiere la observación microscópica, por parte de un experto, de una muestra, preferiblemente fresca. En una biometría hemática es necesario también el conteo directo de células en preparaciones microscópicas. En la mayoría de los casos, la detección de bacterias patógenas consiste en el cultivo de las mismas, en medios especiales, seguido de su identificación, por procedimientos bacteriológicos complejos. Para detectar compuestos particulares en los fluidos fisiológicos, como transaminasas, bilirrubina, etc., se necesita aplicar un procedimiento de incubación con diversos reactivos y su posterior cuantificacion.
Las nuevas técnicas y conocimientos aportados por la biología moderna permiten visualizar un futuro muy diferente para el campo del diagnóstico. Uno de los primeros factores que se deben tomar en cuenta es que las causas de muchas enfermedades se irán conociendo en forma mucho más precisa a nivel molecular. Así, con la información derivada del Proyecto del Genoma Humano, se conocerán los genes responsables de enfermedades y su predisposición a padecerlos. Los microorganismos patógenos serán escudriñados de manera altamente detallada, al grado de conocer la secuencia nucleotídica de muchos de sus genes. Con esta información a la mano se pueden emplear las mismas técnicas que se han descrito anteriormente, pero ahora para detectar; en muestras fisiológicas la presencia de genes relevantes que alteran la salud. De hecho, las propiedades de reconocimiento molecular que ya se explotan en unos pocos sistemas de diagnóstico muy sencillos, como las pruebas caseras de embarazo, nos permiten darnos una idea de lo que podría ocurrir en el futuro.
Por ejemplo, mediante el uso de la Reacción en Cadena de Polimerasa, es posible amplificar secuencias provenientes de unas cuantas células de la bacteria Salmonella tiphy, causante de la fiebre tifoidea. El íntimo conocimiento de los genes de esta bacteria, permite diseñar sondas de hibridización específicas para ella, que dan lugar a una señal (fragmento amplificado) sólo en el caso de que sea Salmonella tiphy la bacteria identificada.
Similarmente, a partir de una pequeñísima muestra (un ligero raspado de mucosa bucal), se podrán amplificar e identificar cualesquiera de los diversos genes que se sospeche puedan estar causando o condicionando la aparición de ciertos síntomas en el paciente. Quizá en estos momentos el empleo de este tipo de técnicas nos parezca complejo y, de hecho, se emplea todavía en menor proporción respecto a otros procedimientos. En pocos años, sin embargo, la acumulación de conocimientos hará que los esquemas antes descritos sean aplicables para muchas enfermedades. Adicionalmente, la gran versatilidad de los esquemas basados en la propiedad de reconocimiento molecular de los ácidos nucleicos permite el desarrollo de métodos cada vez más simples, sensibles y específicos. Es probable que, en un futuro no muy distante, el médico cuente con una serie de sistemas de detección, de manejo muy sencillo (tales como cintas reactivas que cambian de color), que le permitan afinar el diagnóstico en su propio consultorio.
La nueva biotecnología también abre interesantes perspectivas para la detección y cuantificación de otros tipos de sustancias corporales (aunque no consistan ni contenga ácidos nucleicos), como moléculas pequeñas. En este caso, el desarrollo que me parece más promisorio reside en dispositivos llamados biosensores. Un biosensor esta constituido por dos componentes: uno biológico, que realiza la función de reconocimiento específico, y uno electrónico, que lleva a cabo el registro del evento de reconocimiento molecular; de manera observable y cuantitativa. Por ejemplo, para detectar la cantidad de glucosa en la sangre de un individuo se han desarrollado biosensores, que ya se utilizan comercialmente en la actualidad. En estos aparatos se coloca una enzima que actúa específicamente sobre la glucosa (y no sobre ningún otro de los miles de compuestos de la sangre), y lleva a cabo una reacción química que acidifica el medio. Esta enzima se inmoviliza sobre una pequeña membrana, que a su vez se coloca cerca de un electrodo capaz de medir la acidez. El electrodo responde a la acidez enviando una pequeña corriente eléctrica que se puede registrar mediante un aparato electrónico adecuado. Como se puede ver; ésta es una operación verdaderamente simple: sumergir un pequeño electrodo (que semeja un tubito de vidrio) dentro de la muestra, y anotar el número que registra una carátula electrónica. Una de las cracterísticas más interesantes de los biosensores es que son susceptibles de miniaturizarse. Existen industrias japonesas que la trabajan precisamente en esta área. Los biosensores del futuro podrán ser dispositivos verdaderamente microscópicos, que incluso podrían llevarse internamente, en el caso de que un paciente requiera un constante monitoreo de los niveles de cierta sustancia corporal. La aportación importante de la biotecnología moderna en este campo es que la identificación y manipulación del componente biológico del biosensor (que le confiere su especificidad) esta siendo revolucionada por todas las técnicas que hemos mencionado en este libro.
El ADN recombinante y la medicina forense
El lector podrá darse cuenta fácilmente que la capacidad de identificar con gran finura la naturaleza y origen de muestras minúsculas de material biológico puede aplicarse directamente en los seres humanos. Es decir; la identificación molecular es capaz de determinar inequívocamente si un pelo, o la piel atrapada bajo una uña, corresponde a un individuo en particular (por ejemplo un sospechoso). ¿Cómo se logra esto? Lo que se pretende es diseñar procedimientos que permitan resaltar las pequeñas diferencias de secuencias genéticas que existen entre un individuo y otro. Estas diferencias o "polimorfismos", están en las moléculas, y las observamos con toda claridad en su manifestación exterior (fisonomía, color de la piel, etc.). Mediante un diseño ingenioso de la Reacción en Cadena de Polimerasa, se puede obtener un patrón electroforético de bandas de ADN (véase el recuadro II.1) que revela con seguridad estas diferencias. En otras palabras, el patrón de bandas que se obtiene de una muestra proveniente de un individuo, utilizando determinado conjunto de oligos sintéticos para iniciar la reacción de la PCR (véase la figura II) constituye una especie de "huella digital molecular" de ese individuo. Basta comparar los patrones obtenidos de la muestra hallada en la escena del crimen con los patrones obtenidos de los sospechosos, para decidir de quién provino la muestra. (La controversia sobre si estas pruebas son aceptables en un juzgado surge de que, por el momento, se puede afirmar que dos muestras no corresponden al mismo individuo, pero afirmar que sí corresponden, se refiere sólo a una probabilidad.) Este tipo de análisis se ha empleado también, por ejemplo, en pruebas de paternidad.
Uno de los aspectos que la sociedad tendrá que atender y reglamentar es el uso legítimo de esta potente metodología. No cabe duda que la capacidad de identificar con sencillez individuos y sus características genéticas se presta a la invasión de la privacía, a niveles que no han sido posibles anteriormente. Pensemos también que las técnicas de identificación y diagnóstico molecular pueden aplicarse en embriones humanos, para la determinación de propensión a enfermedades, etc. Quizá una de las derivaciones más interesantes consiste en que seremos capaces de saber si somos portadores de genes responsables de enfermedades de efectos devastadores, como la enfermedad de Alzheimer; la de Huntington, la esclerosis múltiple y la esclerosis lateral, la distrofia muscular; etc., que suelen aparecer en etapas avanzadas de la vida, y que no se manifiestan con anterioridad. Estas posibilidades presentan retos de gran importancia para la psicología y la sociología del futuro.
AGENTES TERAPÉUTICOS RACIONALES
Con base en los conocimientos disponibles sobre las causas de las enfermedades, cada día es más posible diseñar racionalmente nuevos agentes terapéuticos. En el capítulo siguiente se tratará el caso del diseño que requiere de la información estructural de las macromoléculas participantes. En esta sección describiré las posibilidades de utilizar agentes dirigidos contra los genes que intervienen en la enfermedad. En este caso, el conocimiento requerido es el de la secuencia nucleotídica de dichos genes, y el agente terapéutico sería alguna variante de un ácido nucleico.
Como ya se explicó en la sección "Las moléculas de la vida" del capitulo I,
los ácidos nucleicos son moléculas de exquisita especificidad. En principio,
podemos imaginar que si un ácido nucleico, por ejemplo, un oligonucleótido,
puede ser utilizado como sonda de hibridización para detectar genes en preparaciones
de laboratorio, debería ser también posible utilizarlas como sondas "asesinas",
destinadas a adherirse e inactivar al gene cuya secuencia les es complementaria.
La utilización de este esquema presenta, desde luego una serie de dificultades
prácticas. Es necesario lograr que el oligo penetre en las células, y en las
cantidades necesarias para inhibir al gene que se pretende contrarrestar. Asimismo,
se necesita evitar que el oligo sea degradado en su camino, y al penetrar en
la célula. En muchos laboratorios se trata de encontrar mecanismos para sortear
estos obstáculos. Se ha comprobado, por ejemplo, que en una cantidad suficiente,
la sola asociación de un oligonucleótido "antisentido" (es decir; complementario
a la hebra codificadora de un gene>, puede ser suficiente para inhibir la
expresión de ese gene. También se empiezan a descifrar las reglas que determinan
que ciertos oligos se asocien al ADN de doble cadena, formando
una triple hélice. Otra técnica reciente de gran interés consiste en la fabricación
de moléculas análogas a los oligonucleótidos, donde las bases se unen unas a
otras no por medio de azúcar y fosfato, sino de enlaces parecidos a los de los
péptidos o proteínas. A este tipo de moléculas se les ha llamado PNA
(Peptide Nucleic Acid). Este descubrimiento constituye, nuevamente, un
tributo al valor de una idea simple, pero que dio justo en el blanco. Con sorpresa,
incluso de sus propios inventores, el PNA es capaz de esa asociación
no sólo cumpliendo las reglas de apareamiento de Watson y Crick (A con T, y
G con C), sino que además lo hace con mucha mayor fuerza que el ADN
natural. Esto le otorga la capacidad de "invadir" o desplazar una de las hebras
de ADN dúplex, con el posible resultado de alterar o inhibir la
función del gene invadido.
La utilización de oligos antisentido ha tenido, hasta el momento, una aplicación limitada, aun en estado experimental (como en el tratamiento local del herpes). Podemos vislumbrar; sin embargo, que la simplicidad del concepto le augura un muy interesante futuro. De hecho, las compañías dedicadas a la producción de insumos para la síntesis química de oligonucleótidos han estado muy activas desarrollando métodos para la síntesis masiva de estas sustancias, en espera de que el mercado de los oligos terapéuticos llegue a crecer considerablemente.
El concepto de intervenir en un proceso biológico utilizando las propiedades de hibridización de los ácidos nucleicos se ha aplicado también en variantes de la terapia génica, que se describe en la siguiente sección.
Todos hemos escuchado y comentado cómo la medicina actual emplea procedimientos que, en muchísimas ocasiones, sólo contrarresta los síntomas, pero no atacan a las causas de la enfermedad. Claramente, las causas últimas de gran cantidad de las enfermedades son de naturaleza genética. Hasta el momento hemos visto cómo se identifican y diagnostican pero ¿será posible curarlas? La respuesta, hasta hace algunos años, era afirmativa, en un futuro relativamente distante. Hoy en día, se observa cómo este futuro ha llegado mucho más rápido de lo que se pensaba.
La posibilidad de intervenir en el patrimonio genético de una persona para corregir algún defecto genético es, en realidad, la forma más perfecta y compleja de tratamiento. ¿Qué elementos técnicos se requerirían para lograr este objetivo? Ya hemos visto que se han podido obtener animales transgénicos, en los que se encuentran presentes genes externos o alterados, obtenidos por medio de la ingeniería genética (véase el recuadro IV.4 y en este capítulo, "Animales transgénicos, granjas moleculares") pero en los casos mencionados la introducción de genes se hace en el nivel embrionario. Para la terapia génica en seres humanos, hasta ahora no se han llevado a cabo este tipo de manipulaciones. Si el objetivo es curar a un individuo, lo que se requiere es reparar los genes de las células que constituyen al cuerpo desarrollado. Evidentemente esto representa un reto formidable. Sin embargo, en algunos casos favorables, la terapia génica es un procedimiento factible, y los primeros protocolos ya se están sometiendo a pruebas clínicas.
En su forma más simple, la terapia génica se puede aplicar a células que pueden ser retiradas del cuerpo, y reintroducidas nuevamente. Esta terapia, denominada ex vivo, es posible, por ejemplo, en el caso de las células sanguíneas. Todos hemos oído hablar del trasplante de médula ósea, la cual contiene las células precursoras de muchas células sanguíneas, de manera que si ésa se reemplaza y eliminan las células sanguíneas preexistentes, una persona puede volver a poblar su sangre con células provenientes de la nueva médula ósea. Hasta ahora, la médula ósea elegida para reemplazar la defectuosa debe provenir de una persona cercanamente emparentada con el individuo receptor; debido a que de otro modo las reacciones de rechazo inmunológico serían intolerables. En cambio, los procedimientos biotecnológicos modernos permiten manipular una población de células de la médula ósea del propio paciente, introduciéndoles los genes correctos, luego identificar y separar las células ya sanas, y finalmente reintroducirlas al paciente. Mediante este tipo de terapia génica se espera poder curar muchas enfermedades de la sangre.
En otros casos, el tejido enfermo no puede ser removido, pero es muy accesible, como en la fibrosis quística. En el capítulo III, "Aislamiento de los genes responsables de enfermedades hereditarias" describimos cómo se logró aislar el gene cuyo defecto es responsable de esta enfermedad, y en la sección "Animales transgénicos..." mencionaba que se han podido obtener ratones transgénicos que contienen el gene defectuoso correspondiente, y que constituyen un modelo animal para el estudio de la enfermedad. Lo que hace a la fibrosis quística un caso susceptible de la terapia génica es que el tejido enfermo (donde el producto del gene defectuoso se manifiesta), es un tejido accesible, el tejido pulmonar. Así, se ha empezado a experimentar al introducir el gene sano a las células pulmonares de los pacientes. Para que el gene penetre en las células enfermas se necesita un vector o vehículo, ya que las células del enfermo no pueden someterse a los esquemas normales de transformación (esta visión, sin embargo, empezó a cambiar muy recientemente. Véase más adelante). Las investigaciones actuales utilizan una forma atenuada del adenovirus, que normalmente es capaz de infectar las células pulmonares. En el genoma de este virus se ha clonado previamente el gene sano del canal de cloro, defectuoso en los enfermos con fibrosis quística. Los primeros resultados de este esquema de tratamiento muestran resultados muy alentadores.
En un paso siguiente de dificultad se encuentran las enfermedades que afectan tejidos menos accesibles, pero que pueden proliferar y renovarse, como el hígado. La proliferación de las células es un prerrequisito para que los genes introducidos se establezcan y expresen. Uno de los ejemplos recientes más interesantes en este tipo de terapia se llevó a cabo en un perro de experimentación con hemofilia tipo B. Mediante la remoción de una porción del hígado del perro, y su posterior infección con un virus (en este caso un retrovirus) modificado para ser inocuo y establecerse sólo en las células hepáticas y al que se había introducido el gene correcto del factor IX de coagulación canino, se logró curarlo de la hemofilia.
En el campo de la terapia génica encontramos otro interesante ejemplo de la
aplicación de conocimientos básicos que, aun cuando en un principio estaban
muy desconectados de la aplicación, tienen a la larga grandes posibilidades
de ser útiles. Tal es el caso de las llamadas ribozimas. Thomas Cech y Sidney
Altman, científicos estadunidenses laureados con el Premio Nobel de química
en 1989, descubrieron que algunas moléculas de ARN pueden poseer
actividad catalítica. Cuando investigaban los procesos por los cuales los ARN
precursores de los organismos eucariontes eliminan sus intrones (véase
en el capítulo III, "Aislamiento de genes utilizando sus ARN mensajeros"
y figura III.1) vieron que en algunos casos, la ruptura y unión de un ARN
no requería mas que de ciertas secuencias del propio ARN. El descubrimiento
de que los ARN pueden mostrar actividad catalítica es altamente
revolucionario, pues se pensaba que ésta era una propiedad exclusiva de las
proteínas dentro de los sistemas biológicos. Una de las implicaciones más importantes
del ARN catalítico es su posible papel como material genético primigenio
y su importancia en el origen de la vida.
La investigación sobre las propiedades de los ARN catalíticos
o ribozimas, ha mostrado además que tiene gran potencial como agente terapéutico.
Pensemos que el ARN catalítico, como cualquier otro ácido nucleico,
muestra exquisitas propiedades de reconocimiento molecular, por medio del fenómeno
de hibridización (véase en el capítulo "Ácidos nucleicos"), pero, además, ¡puede
lograrse que rompa la molécula de ácido nucleico a la cual se asoció! Así, un
interesante campo de terapia moderna consiste en diseñar ribozimas que se asocien
e inactiven los ARN mensajeros de genes cuya actividad es nociva.
Obviamente podemos pensar aquí en la expresión de oncogenes (véase en el capítulo
anterior; "Estudios sobre las causas del cáncer"), o en la de genes de virus
patógenos. Uno de los atractivos más grandes de este enfoque es que es verdaderamente
general. El proceso que se utiliza para diseñar una ribozima que se asocia e
inactiva al mensajero de un gene en particular es sumamente parecido al que
se usaría para otro mensajero cualquiera. Por el momento el reto es introducir
la ribozima a las células relevantes y también lograr que se localice en el
lugar adecuado dentro de estas células. Si estos problemas se resuelven, en
unos pocos años nuestro médico nos podría decir "le voy a prescribir una terapia
con ribozimas".
Aun en los casos más difíciles, como los de enfermedades que se manifiestan en tejidos no regenerables, como los músculos, ya existen investigaciones promisorias para la aplicación de la terapia génica. En la actualidad se ha aprobado la realización de más de 30 procedimientos de terapia génica, incluidas enfermedades diversas, como varios tipos de cáncer; fibrosis quística, y otras.
Muy recientemente, la posibilidad de introducir genes mediante biobalística
(véase en este capítulo, "Plantas transgenéticas, la nueva revolución verde")
también ha resultado exitosa en animales. Esto abre la posibilidad de "inyectar"
genes a los tejidos apropiados. Adicionalmente, quizá esto permitirá que se
vacune con ADN, para que nuestras propias células sean las que
fabriquen el antígeno protector.
Manipulación genética de embriones humanos
Es muy importante destacar que la intervención genérica en seres humanos se ha limitado hasta ahora a la curación somática, es decir; no en embriones. Los procedimientos terapéuticos son aprobados por comités en los que normalmente participan miembros de la sociedad, ajenos a la comunidad científica o médica. En estos casos, los problemas éticos que se enfrentan no son de naturaleza muy diferente de los que normalmente han existido anteriormente. Sin embargo, la posibilidad técnica de aplicar terapia génica en el nivel embrionario también está muy cercana.
En el prólogo de este libro apunté que es incorrecto confundir la ingeniería genética con la embriología, o las técnicas de fertilización in vitro. Evidentemente, estos dos procedimientos tienen en común que implican intervenir en los sistemas biológicos. Sin embargo, no son en absoluto lo mismo. Ni un procedimiento requiere o depende del otro. Las investigaciones sobre fertilidad existen desde mucho tiempo antes del surgimiento del ADN recombinante y, hasta el momento, en ningún caso la manipulación de embriones humanos ha incluido la manipulación de genes. Similarmente, la ingeniería genética se ha aplicado en la abrumadora mayoría de los casos, utilizando células no humanas. Y definitivamente nunca con células humanas embrionarias. En este sentido, a casi 20 años de que se iniciara la revolución del ADN recombinante, no se ha hecho ningún experimento tendiente a "mejorar la raza humana". El lector comprenderá cabalmente que para lograr tal objetivo (en el supuesto caso de que se supiera qué quiere decir "mejorar", en este contexto), se requeriría alterar el genoma en el nivel embrionario, de manera que las alteraciones se efectuaron en todas las células de la persona, y tuvieran la posibilidad de ser heredadas a sus descendientes.
Una vez hechas estas aclaraciones creo que sí es conveniente abordar aquí la controversia desatada recientemente acerca de la posibilidad de hacer clonación de seres humanos, iniciada por algunos experimentos realizados en el contexto de la investigación sobre fertilidad. Los doctores Jerry Hall y Robert Stillman, de la clínica de fertilidad de la universidad George Washington, lograron separar las pocas células que constituyen un embrión humano en etapa temprana, para después volverlas a cubrir de una capa protectora, que les permite a cada una de ellas desarrollarse en un nuevo embrión. En esta etapa del desarrollo, las células no están aun especializadas, son totipotenciales, y por ello pueden originar a un nuevo embrión. Aparentemente, los investigadores que conducían este estudio no estaban conscientes del revuelo que iba a causar la noticia de sus resultados. En realidad, ellos no obtuvieron embriones viables, el embión del que partían tenía, para empezar, ciertas anomalías. Su único propósito era verificar si la preparación gelatinosa con la que recubrían las células disgregadas era capaz de propiciar su crecimiento y división. El objetivo final es, sin embargo, el obtener varios embriones a partir de uno. Este objetivo es comprensible desde la perspectiva de las clínicas de fertilidad. En los casos de algunas parejas, uno de los principales problemas es obtener siquiera un embrión, y las posibilidades de que éste se implante con éxito, dando como resultado un embarazo, no son muy elevadas. Sería ideal que una pareja en esta situación tuviera la posibilidad de hacer varios intentos. Ciertamente, el contenido ético de este planteamiento, en si mismo, es suficiente para desatar tremenda controversia. Sin embargo, la perspectiva de obtener varios embriones idénticos, la posibilidad de guardarlos por muchos años, y la probabilidad (que nos ocupa primordialmente aquí), de alterar su patrimonio genético, plantean profundos problemas éticos.
De la misma manera que se ha podido crear un rebaño de ovejas transgénicas que producen una proteína humana de alto valor terapéutico (véase en este capitulo "Animales transgénicos, granjas moleculares"), los experimentos relatados antes permiten concluir que sería inminentemente posible la generación de seres humanos transgénicos. Es muy probable, sin embargo, que las primeras propuestas para utilizar este tipo de descubrimientos fueran más bien para obtener varios embriones, analizar uno de ellos (lo cual normalmente lo destruiría) para ver si son portadores o no de determinada lesión genética y, en caso de que sean sanos, utilizar otro de los embriones (que sería idéntico al primero), para intentar llevar a término un embarazo.
Quisiera terminar esta sección diciendo que la comunidad médica y científica distingue con meridiana claridad la diferencia entre hacer terapia génica somática, o hacer terapia génica en la línea germinal (en embriones). Los protocolos en desarrollo son todos del primer tipo. Asimismo, aun cuando en algunas comunidades se empezará a considerar conveniente realizar procedimientos del segundo tipo, hasta el momento las alteraciones concebibles son de naturaleza muy limitada. Como ya se ha dicho, alterar un gene a la vez, con toda seguridad para corregir un defecto metabólico específico.
PERSPECTIVA GENERAL DE LA APLICACIÓN DE LA BIOTECNOLOGÍA
Desde una perspectiva histórica, se puede decir que las técnicas del ADN recombinante son recientes. Los que vivimos en esta época sabemos, sin embargo, que los cambios en todos los órdenes ocurren en forma vertiginosa. Durante su corta existencia, la nueva biotecnología ha creado expectativas enormes; ha desilusionado a los inversionistas, y los ha entusiasmado nuevamente. Como ya apunté al principio de este capítulo, si la única herramienta con la que contamos es un martillo, a todos los problemas les veremos cara de clavos. En la actualidad disponemos de un verdadero "taller mecanizado". Si juzgamos la avalancha de conocimientos propiciados por los avances de la manipulación genética, podemos asegurar que las aplicaciones útiles se empezarán a sentir también en grado de avalancha. Como es normal, éstas sobrevienen algunos años más tarde.
En este libro no se ha hecho más que dar pinceladas para mostrar algunas de las posibilidades. No tocamos en absoluto áreas como la biorremediación, la generación de energía, los alimentos procesados, nuevos materiales, etc., en los que la biotecnología seguramente tendrá repercusiones.
Creo que es casi una certeza prever que empezamos a vivir una era de biotecnología, en la que nuestras vidas estarán rodeadas de procesos y productos provenientes de esta tecnología.
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