Estos seres vivos nunca podrán vivir en libertad. Su genoma ha sido rediseñado repetidamente en aras de una sola tarea: trabajar incansablemente para los humanos. Millones de estos biorobots producen en grandes cantidades lo que ellos mismos prácticamente no necesitan. Resisten, les gustaría vivir diferente, pero ¿quién lo permitirá?
Escrito en estilo distópico, el pasaje introductorio es de hecho una realidad cotidiana. Se trata de microorganismos especialmente adaptados para trabajar en la producción biotecnológica. De hecho, los microorganismos --bacterias y hongos-- han estado inyectando a la humanidad desde tiempos inmemoriales y, antes de los descubrimientos de Louis Pasteur, la gente ni siquiera se daba cuenta de que, amasando masa de levadura, fermentando leche, haciendo vino o cerveza, se trataba del trabajo de los seres vivos.
En busca de superpoderes
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Pero sea como fuere, intuitivamente, mediante el método de selección espontánea a lo largo de los milenios, la gente ha logrado seleccionar cultivos de alta calidad para la elaboración del vino, la elaboración del queso y la cocción a partir de formas naturales y "salvajes" de microorganismos. Otra cosa es que ya en la era más reciente, se han encontrado nuevas aplicaciones para bacterias activas. Han surgido empresas de biotecnología a gran escala para producir, por ejemplo, sustancias químicas importantes como aminoácidos o ácidos orgánicos.
La esencia de la producción biotecnológica es que los microorganismos, que absorben materias primas, como el azúcar, liberan un determinado metabolito, un producto metabólico. Este metabolito es el producto final. El único problema es que hay varios miles de metabolitos en la célula y la producción necesita uno, pero en cantidades muy grandes, por ejemplo, 100 g / l (a pesar de que, en condiciones naturales, el metabolito se produciría en cantidades por dos tres órdenes de magnitud menor). Y, por supuesto, las bacterias deben actuar muy rápido, para distribuir la cantidad requerida de producto, digamos, en dos días. Estos indicadores ya no son capaces de formas salvajes: este sistema de "fábrica de explotación" requiere supermutantes, organismos con docenas de modificaciones genómicas diferentes.
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Más cerca de la naturaleza
Aquí vale la pena hacer una pregunta: ¿por qué involucrar la biotecnología? ¿No es la industria química capaz de hacer frente a la producción de los mismos aminoácidos? Copes. La química puede hacer mucho en estos días, pero la biotecnología tiene varias ventajas importantes. Primero, operan con recursos renovables. Ahora, las plantas que contienen almidón y azúcar (trigo, maíz, remolacha azucarera) se utilizan principalmente como materias primas. En el futuro, se cree que la celulosa (madera, paja, torta) se utilizará activamente. La industria química trabaja principalmente con hidrocarburos fósiles.
En segundo lugar, la biotecnología se basa en las enzimas de las células vivas que trabajan a presión atmosférica, temperatura normal, en medios acuosos no agresivos. La síntesis química se lleva a cabo, por regla general, bajo una enorme presión, altas temperaturas, utilizando sustancias cáusticas, así como explosivas y peligrosas para el fuego.
En tercer lugar, la química moderna se basa en el uso de procesos catalíticos y los metales, por regla general, actúan como catalizadores. Los metales no son una materia prima renovable y su uso es riesgoso desde el punto de vista medioambiental. En biotecnología, la función de los catalizadores la realizan las propias células y, si es necesario, las células son fáciles de eliminar: se descomponen en agua, dióxido de carbono y una pequeña cantidad de azufre.
Finalmente, la cuarta ventaja radica en las propiedades del producto resultante. Por ejemplo, los aminoácidos son estereoisómeros, es decir, las moléculas tienen dos formas que tienen la misma estructura, pero están organizadas espacialmente como imágenes especulares entre sí. Dado que las formas L y D de los aminoácidos refractan la luz de diferentes formas, estas formas se denominan ópticas.
Química versus biotecnología.
Desde el punto de vista biológico, existe una diferencia significativa entre las formas: solo las formas L son biológicamente activas, solo la forma L es utilizada por la célula como material de construcción de proteínas. En síntesis química, se obtiene una mezcla de isómeros; la extracción de las formas correctas de ella es un proceso de producción separado. El microorganismo, como estructura biológica, produce sustancias de una sola forma óptica (en el caso de los aminoácidos, solo en la forma L), lo que convierte al producto en una materia prima ideal para los productos farmacéuticos.
Batalla en jaula
Entonces, el problema del aumento de la productividad para las industrias biotecnológicas con cepas naturales no se puede resolver. Es necesario utilizar técnicas de ingeniería genética para cambiar realmente el estilo de vida de la célula. Toda su fuerza, toda su energía y todo lo que consume debe dirigirse al escaso crecimiento y (principalmente) a la producción de grandes cantidades del metabolito deseado, ya sea un aminoácido, ácidos orgánicos o un antibiótico.
¿Cómo se crean las bacterias mutantes? En los últimos tiempos se veía así: tomaron una cepa salvaje, luego realizaron mutagénesis (es decir, tratamiento con sustancias especiales que aumentan el número de mutaciones). Las células tratadas se sembraron en placas y se obtuvieron miles de clones individuales. Y hubo docenas de personas que probaron estos clones y buscaron aquellas mutaciones que son más efectivas como productores.
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Se seleccionaron los clones más prometedores, y siguió la siguiente ola de mutagénesis, y nuevamente la dispersión y nuevamente la selección. De hecho, todo esto no fue muy diferente de la selección habitual, que se ha utilizado durante mucho tiempo en la cría de animales y la producción de cultivos, excepto por el uso de mutagénesis. Entonces, durante décadas, los científicos han seleccionado lo mejor de las muchas generaciones de microorganismos mutantes.
Hoy en día se utiliza un enfoque diferente. Todo comienza ahora con el análisis de las vías metabólicas y la identificación de la vía principal para la conversión de azúcares en el producto objetivo (y esta vía puede consistir en media docena de reacciones intermedias). De hecho, en la célula, por regla general, hay muchas vías laterales, cuando la materia prima inicial se dirige a algunos metabolitos que no son en absoluto necesarios para la producción. Y primero, todas estas rutas deben cortarse para que la conversión se dirija directamente al producto de destino. ¿Cómo hacerlo? Cambiar el genoma de un microorganismo. Para esto, se utilizan enzimas especiales y pequeños fragmentos de ADN - "cebadores". Con la ayuda de la llamada reacción policíclica en un tubo de ensayo, se puede extraer un solo gen de una célula, copiar en grandes cantidades y modificar.
La siguiente tarea es devolver el gen a la célula. El gen ya modificado se inserta en "vectores", que son pequeñas moléculas circulares de ADN. Son capaces de transferir el gen alterado del tubo de ensayo a la célula, donde reemplaza al gen nativo anterior. Por lo tanto, puede introducir una mutación que interrumpa por completo la función de una producción genética innecesaria o una mutación que cambie su función.
En la célula, existe un sistema muy complejo que evita la producción de una cantidad excesiva de cualquier metabolito, la misma lisina, por ejemplo. Se produce de forma natural en una cantidad aproximada de 100 mg / l. Si hay más, la propia lisina comienza a inhibir (ralentizar) las reacciones iniciales que conducen a su producción. Surge una retroalimentación negativa, que solo puede eliminarse introduciendo otra mutación genética en la célula.
Sin embargo, despejar el camino de las materias primas hasta el producto final y eliminar las inhibiciones integradas en el genoma sobre la producción excesiva del metabolito requerido no es todo. Dado que, como ya se mencionó, la formación del producto deseado tiene lugar dentro de la celda en un cierto número de etapas, en cada una de ellas puede ocurrir un "efecto de cuello de botella". Por ejemplo, en una de las etapas, la enzima actúa rápidamente y se produce una gran cantidad de producto intermedio, pero en la siguiente etapa el rendimiento cae y un exceso no reclamado del producto amenaza la actividad vital de la célula. Esto significa que es necesario fortalecer el trabajo del gen responsable de la etapa lenta.
Puede mejorar el trabajo de un gen aumentando su número de copias; en otras palabras, insertando no una, sino dos, tres o diez copias del gen en el genoma. Otro enfoque consiste en "vincular" a un gen un "promotor" fuerte, o una sección de ADN responsable de la expresión de un gen en particular. Pero la "apertura" de un "cuello de botella" no significa en absoluto que no surgirá en la siguiente etapa. Además, hay muchos factores que afectan el curso de cada etapa de la obtención de un producto; es necesario tener en cuenta su influencia y realizar ajustes en la información genética.
Por lo tanto, la "competencia" con la jaula puede durar muchos años. Se necesitaron unos 40 años para mejorar la biotecnología de la producción de lisina, y durante este tiempo se "enseñó" a la cepa a producir 200 g de lisina por litro en 50 horas (a modo de comparación: hace cuatro décadas esta cifra era de 18 g / l). Pero la célula continúa resistiendo, porque ese modo de vida para el microorganismo es extremadamente difícil. Claramente ella no quiere trabajar en producción. Y por lo tanto, si la calidad de los cultivos celulares no se monitorea regularmente, inevitablemente surgirán mutaciones en ellos que reducen la productividad, que serán fácilmente detectadas por selección. Todo esto sugiere que la biotecnología no es algo que pueda desarrollarse una vez y luego actuará por sí sola. Y la necesidad de mejorar la eficiencia económica y la competitividad de las industrias biotecnológicas, y la prevención de la degradación de las cepas de alto rendimiento creadas, requieren un trabajo constante, incluida la investigación fundamental en el campo de las funciones génicas y los procesos celulares.
Queda una pregunta: ¿no son los organismos mutantes peligrosos para los humanos? ¿Qué pasa si terminan en el medio ambiente de biorreactores? Afortunadamente, no hay peligro. Estas células tienen fallas, no están en absoluto adaptadas a la vida en condiciones naturales e inevitablemente morirán. Todo en la célula mutante ha cambiado tanto que solo puede crecer en condiciones artificiales, en un determinado entorno, con un determinado tipo de nutrición. No hay forma de volver al estado salvaje para estos seres vivos.
El autor es el subdirector del Instituto Estatal de Investigación en Genética, doctor en ciencias biológicas, profesor Alexander Yanenko.
