Enrique Iáñez Pareja

Instituto de Biotecnología

Universidad de Granada

Índice:

1. Proteínas y péptidos terapéuticos recombinantes

4. Otros ejemplos de aplicación de la ingeniería genética

Cuando en 1973 se realizó el primer experimento de laboratorio de clonación molecular, quedaba abierta la vía para producir grandes cantidades de proteínas útiles a partir de genes introducidos en microorganismos. Comenzaba una nueva era en la domesticación de los seres vivos, con una base más racional y menos empírica que la realizada hasta entonces.

El primer ejemplo de producción de proteínas terapéuticas por ingeniería genética llegó en 1976, cuando se logró que bacterias produjeran la somatostatina, un neurotransmisor de solo 14 aminoácidos. Se veía claro que la ingeniería genética permitía producir grandes cantidades de productos con gran valor añadido, que son difíciles o imposibles de producir por otros medios.

Los intereses sanitarios y los de la industria farmacéutica empujaron rápidamente hacia la aplicación de la nueva genética para la obtención de nuevos fármacos. Se crearon cientos de pequeñas empresas, que en su mayor parte fueron luego absorbidas por grandes compañías. El papel del capital-riesgo y las joint-ventures ha sido y sigue siendo muy grande. No solo ha surgido un nuevo tipo de empresa basada en la nueva biología, sino que las farmacéuticas tradicionales han reorganizado su estrategia, de modo que algunas están actualmente totalmente orientadas hacia la farmacología de base genética. Otras empresas, como las alimentarias, las agroquímicas, etc, van introduciendo igualmente estas novedades.

La nueva genética, incluyendo la genómica, es la base de la nueva generación de productos que van a ir apareciendo en campos tan diversos como la farmacología, los diagnósticos, la alimentación, la industria química, el tratamiento de residuos.

1. Proteínas y péptidos terapéuticos recombinantes

La llegada de la ingeniería genética ha supuesto que numerosas proteínas potencialmente terapéuticas, que antes se producían solo en pequeñas cantidades, puedan elaborarse en grandes cantidades. Hoy día existen cientos de genes de proteínas terapéuticas que se han expresado a nivel de laboratorio, y que están intentando demostrar su adecuación clínica. Ya existen más de 30 proteínas aprobadas para su uso clínico.

Sustancia	Empresa	Enfermedad
factor antihemofílico	Miles, Baxter, Genetics Institute	Hemofilia A
DNasa I	Genentech	Fibrosis quística
Eritropoyetina (EPO)	Amgen, Ortho Biotech	Anemia, enf. renal
Glucocerebrosidasa	Genzyme	Enfermedad de Gaucher
Hormona del crecimiento	Genentech	Enanismo hipofisario
Insulina	Eli Lilly	Diabetes
Interferón alfa-2a	Hoffmann-LaRoche	ciertas leucemias, sarcoma de Kaposi
Interferón alfa-2b	Schering-Plough	ciertas leucemias, Sarcoma de Kaposi, hepatitis B y C
Interferón alfa-n3	Interferon Sciences	Herpes genital
Interferón gamma-1b	Genentech	enf. granulomatosa crónica
Interleucina-2	Chiron	Carcinoma células renales
Somatotropina	Eli Lilly	Deficiencia hormona crecimiento
Activador tisular del plasminógeno (tPA)	Genentech	Infarto agudo de miocardio, embolismo pulmonar masivo

El porcentaje de proteínas terapéuticas que se fabricarán por métodos recombinantes irá creciendo con el tiempo. En el año 2000 su valor estaba en torno a los 20.000 millones de dólares.

Comentemos algunos ejemplos de los citados en la tabla anterior:

	La insulina es el primer caso de proteína por ingeniería genética aprobada para uso en humanos (en 1982, con el nombre comercial de Humulina®, de la compañía Eli-Lilly). Los mamíferos producen insulina en las células beta de los islotes de Langerhans del páncreas, y regula los niveles de glucosa en la sangre. El defecto de su síntesis conduce a la diabetes. Hasta la ingeniería genética la insulina para diabéticos procedía de páncreas de cerdos o vacas, que aunque es biológicamente activa en humanos, no es idéntica a la nuestra, de modo que se pueden producir algunos problemas de reacciones inmunes adversas.
	La hormona de crecimiento es un péptido de 191 aminoácidos producido por la hipófisis (glándula pituitaria), que estimula el crecimiento normal. Los niños que no producen niveles adecuados tienden a tallas inferiores a las normales (enanismo hipofisario). Antes, esta enfermedad se trataba con hormona extraida de cerebros de cadáveres, extracción larga y costosa, con poco rendimiento, cuyo producto, además, de vez en cuando daba infecciones con virus y priones procedentes de los cerebros de los cadáveres. Todo esto se ha resuelto con la ingeniería genética. Millones de dosis de la hormona recombinante se administran cada año a cientos de miles de pacientes.
	Hace poco se aprobó el uso de DNasa-I para el tratamiento de la fibrosis quística (la enfermedad monogénica más frecuente en poblaciones caucasianas, que hace que los afectados sean muy susceptibles a infecciones bacterianas en sus pulmones, con lo que se acumula un grueso moco que les dificulta la respiración). La DNasa-I, administrada como aerosol, puede romper el componente ADN del moco acumulado en los pulmones del enfermo, disminuyendo su viscosidad y facilitando la respiración del paciente. Igualmente se está intentado obtener una alginato-liasa que rompe el componente alginato secretado por bacterias Pseudomonas aeruginosa que son responsables de buena parte del moco de los enfermos de fibrosis quística.
	La primera proteína terapéutica recombinante obtenida en células de mamífero es el activador tisular del plasminógeno (tPA), que se administra a víctimas de ataques cardíacos (infarto agudo de miocardio). Esta sustancia cataliza la conversión del plasminógeno en plasmina, que a su vez disuelve la fibrina de los coágulos sanguíneos. El tPA recombinante, desarrollado por Genentech fue licenciado en 1987 con el nombre comercial de Activasa®. Aparte de su empleo para el infarto agudo de miocardio (aprobado en 1987), se ha aprobado su empleo en el embolismo pulmonar agudo (1990) y en la isquemia aguda (1996).

2. Enzimas recombinantes

Existen muchos ámbitos económicos donde se requiere el uso de enzimas animales, vegetales o microbianas

Las enzimas microbianas se emplean sobre todo en la obtención de jarabes de glucosa y fructosa, en detergentes y en textiles, y suelen ser enzimas que hidrolizan polímeros, como proteínas y polisacáridos.

La producción industrial de enzimas es un negocio que a comienzos del siglo XXI mueve en torno a 1.600 millones de dólares al año, de los cuales el 70% se debe a productos del género Bacillus. Veamos el desglose por grupos de enzimas y actividades comerciales (los datos de esta tabla son de finales de los años ochenta):

Tipo de enzimas	Actividad económica	Millones $ / año
Sacarasas e isomerasas	Procesamiento del almidón, endulzantes y jarabes ricos en fructosa Fabricación de textiles	150
Proteinasas	Detergentes Carnes, quesos Procesamiento de pescado Procesamiento de tejidos	400
Renninas (quimosinas)	Coagulación de la leche para producción de quesos	60
Lipasas	Detergentes Procesamiento de pieles Saborizantes Procesamiento de carne y queso	20
Celulasas	Producción de zumos de frutas Producción de olivas Modificación de granos y fibras “Envejecimiento” de prendas vaqueras	20

Para usar un microorganismo que produzca enzimas de consumo humano, se deben de cumplir una serie de requisitos legales, que se centran en que tal microorganismo debe figurar en la llamada lista “GRAS” (generally aknowledged as secure), es decir, que haya demostrado una larga historia de seguridad. Existen unos 50 microorganismos GRAS aprobados para la industria alimentaria, de los cuales citamos los siguientes:

	Bacillus, como p. ej. B. subtilis y B. licheniformis.
	Saccharomyces cerevisiae (levadura de panadería).
	Aspergillus niger y A. oryzae.
	Lactobacillus y estreptococos lácticos.

Como se ve, la producción de enzimas por microbiología industrial era ya un negocio floreciente ante de la era del ADN recombinante, pero precisamente la I.G. se adapta perfectamente a los objetivos de mejora de esta biotecnología comercial, y empezó a usarse de modo casi inmediato en cuanto estuvieron a punto las técnicas.

En la industria alimentaria:

	Quimosina recombinante (rennina) para la elaboración de quesos. Muy empleada en EE.UU y Gran Bretaña (90% de los quesos duros), sustityendo a la escasa quimosina de terneros y a la biotecnológica tradicional obtenida de hongos (Rhizomucor, Endothia parasitica). La quimosina recombinante se obtiene en Kluyveromyces lactis y Aspergillus niger manipulados.
	Somatotropina bovina recombinante pare estimular la producción de leche de vacas en los EE.UU. (aprobada por la FDA en 1994 para Monsanto, con el nombre comercial de Prosilac, pero no en la UE).

En la industria de detergentes:

	La Lipolasa® de Novo-Nordisk (ahora Novozymes) es la primera enzima recombinante aprobada para detergentes. El gen de esta lipasa, aislado de hongo filamentoso Humicola se transfirió a Aspergillus oryzae.
	La cutinasa de Fusarium, buena degradadora de ácidos grasos, se expresa por ingeniería genética en la levadura Saccharomyces cerevisiae.
	Entre las proteasas, hay que destacar la subtilisina de Bacillus licheniformis y B. amyloquefaciens, que ayuda a eliminar manchas de sangre, comida, etc. Por ingeniería de proteínas ha sido posible mejorar las ya de por sí buenas cualidades de la subtilisina, creando variantes resistentes a la oxidación por peróxido de hidrógeno derivado de los perboratos, resistentes a pH alcalinos y termorresistentes.

3. Vacunas recombinantes

Las vacunas tradicionales suelen ser de dos tipos: microorganismos inactivados (muertos) o microorganismos vivos pero atenuados, y normalmente requieren cultivar el microorganismo responsable de la enfermedad frente a la que se pretende inmunizar. Pero hay varios inconvenientes con este tipo de enfoque:

	no todos los microorganismos se pueden cultivar
	la producción a menudo es cara en el caso de las vacunas frente a virus
	se requieren medidas de seguridad en los laboratorios productores que manejan el patógeno
	se requieren medidas muy estrictas para asegurar la completa inactivación o la atenuación adecuada de la cepa. De vez en cuando, la cepa atenuada puede recuperar la virulencia
	hay enfermedades, como el sida, que no parecen doblegarse al diseño tradicional de vacunas

La tecnología del ADN recombinante permite nuevos enfoques para el diseño y producción de vacunas:

Vacunas a base de subunidades del agente patógeno.

	Por ejemplo, la actual vacuna de la hepatitis B usa un determinado antígeno aislado del virus: el llamado HBsAg, producido por ingeniería genética en levaduras. El antígeno se produce a altos niveles en grandes fermentadores, de modo seguro.
	Se está avanzando en vacunas subunitarias frente al virus del herpes simple (HSV)
	Vacunas frente a la glosopeda (fiebre aftosa) del ganado de pezuña hendida: se está ensayando una a base de la proteína VP1 de la cápsida del virus
	Ahora que se ha completado la secuencia del genoma del bacilo de la tuberculosis (Mycobacterium tuberculosis), se abren más perspectivas de vacunas más efectivas y seguras que la actual basada en el bacilo de Calmette-Guérin (CGB), una cepa de Mycobacterium bovis.

Nuevas vacunas atenuadas: la estrategia básica estriba en manipular un agente patógeno para eliminarle genes de virulencia mientras que retiene su capacidad de estimular el sistema inmunitario. De esta forma, el microbio manipulado se podría emplear como vacuna viva atenuada segura, sin miedo a que revierta al tipo virulento, como pasa hoy. Con ello aprovechamos además el hecho de que los microorganismos completos suelen ser más efectivos que las vacunas subunitarias.

	Se han diseñado cepas estables del agente del cólera (Vibrio cholerae) desprovistas del gen de su potente enterotoxina, que actualmente están en fase de ensayos clínicos.
	En el caso de Salmonella se ha ensayado quitarle ciertos genes no relacionados con la virulencia, pero que al desaparecer convierten a la cepa en atenuada (disminución de su virulencia en un millón de veces). Han mostrado su efectividad en ovejas, bovinos, pollo e incluso, más recientemente, en humanos.

Vacunas vectores: uso de microorganismos no patógenos que incorporan genes determinantes de antígenos protectores para ciertas enfermedades.

	el virus vacunal es un buen candidato a ser vector de vacunas, ya que entre otras cosas, ha venido siendo usado para la erradicación de la viruela. Se trata de un poxvirus con un genoma de 187 kb, totalmente secuenciado, y que permite acomodar varios genes foráneos en su interior. Si colocamos un gen bajo el control de un promotor del virus vacunal, este gen se expresa en el organismo hospedador. Se han ensayado las expresiones de genes intereresantes, como antígenos de virus de la rabia, de la hepatitis B, de la gripe y del herpes simple. Se puede intentar vacunar simultáneamente para varias enfermedades.
	Otros ejemplos de virus vectores candidatos: adenovirus, poliovirus, varicela-zoster.
	Vectores bacterianos: la idea es expresar antígenos de bacterias patógenas en la superficie de bacterias no patógenas.

4. Otros ejemplos de aplicación de la ingeniería genética

Aunque la I.G. encuentra su aplicación inmediata en la producción del producto directo del gen, es decir, la proteína, no se puede olvidar que también puede ayudar a producir sustancias y metabolitos no proteicos, ya que en la biosíntesis de éstos intervienen proteínas catalizadoras (enzimas) a su vez susceptibles de poder mejorarse o incrementarse su producción mediante las nuevas técnicas. Trataremos de modo casi telegráfico algunos ejemplos:

Síntesis de antibióticos. El mercado de producción de antibióticos suponía en 1996 unos 23.000 millones de euros. El hecho de que desde los años 40 las técnicas tradicionales de mutagénesis aleatoria y selección lograran grandes aumentos de productividad ha supuesto que la recién llegada I.G. se encuentre buena parte del trabajo ya realizado. Sin embargo, está teniendo un papel importante, sobre todo una vez que se clonan los genes (estreptomicina: 1985; bialafos: 1986; tetracenomicina: 1987) y se caracterizan bioquímicamente las rutas, a veces muy complejas.

mejoras en procesos tradicionales: p. ej., ampliando los "cuellos de botella" metabólicos con ingeniería metabólica.

síntesis de nuevos antibióticos,

fusionando rutas de dos antibióticos diferentes: la mederrodina deriva de transferir genes de actinorrodina a una cepa productora de medermicina

manipulando racionalmente rutas de antibióticos: la deleción de un gen para un módulo enzimático de una ruta de policétido generó un nuevo antibiótico de la familia de la eritromicina.

Síntesis de aminoácidos: los aminoácidos se producen para varios fines, sobre todo como aditivos mejoradores del sabor de alimentos y como suplementos de dieta, así como en industria química, cosmética, para suministros médicos, etc. Aunque esta biotecnología tiene casi un siglo de vida y ya había llegado a cierta madurez, se han logrado mejoras en la producción de lisina, glutámico y triptófano por parte de bacterias industriales Corynebacterium glutamicum y Brevibacterium spp. En la mayor parte de los casos, se trata de ampliar cuellos de botella metabólicos y eliminar mecanismos de retroinhibición y de represión por producto final.

Síntesis del índigo: el índigo se emplea como colorante para los prendas tejanas (blue-jeans), y hasta ahora el proceso era puramente químico y contaminante. Se ha desarrollado un sistema para producir este colorante de modo limpio en bacterias manipuladas genéticamente (no se requieren sustancias químicas peligrosas como anilinas, formaldehido, cianuro, etc).

Producción de enzimas para detergentes de lavadoras: por ejemplo, la subtilisina es una enzima producida por razas de Bacillus subtilis, que se viene usando, junto con otras enzimas microbianas, como aditivos que mejoran el poder limpiador de los detergentes para ropa. La subtilisina natural tiene el inconveniente de que se inactiva con la lejía. Mediante una técnica genética llamada "ingeniería de proteínas", se logró cambiar un determinado aminoácido (Met-222) por otro (Ala-222), con lo que la nueva subtilisina resistía a la lejía. Por métodos parecidos se han diseñado variantes que aguantan altas temperaturas, por lo que se pueden usar en los programas de lavado en caliente.

Se están haciendo esfuerzos para que la ingeniería genética impulse procedimientos industriales "verdes" (Véase el artículo sobre Ingeniería genética y medio ambiente"). Aquí solo aludiremos a algunos ejemplos:

	Producción de plásticos biodegradables. Desde hace tiempo se sabe que ciertas bacterias (como Ralstonia eutropha) producen unos gránulos de reserva a base de poli-hidroxialcanoatos, sustancias que muestran notables propiedades termoplásticas y elásticas. Se han diseñado cepas de bacterias con los genes de biosíntesis de estas sustancias, y ya hay empresas que fabrican estos plásticos biodegradables para usos especiales, como dispositivos médicos (el Biopol® de la Monsanto). Se están haciendo esfuerzos para abaratar los costes, principalmente con plantas transgénicas. Es posible que en un futuro los precios sean competitivos y que se puedan ir sustituyendo los plásticos sintéticos, contaminantes y gastadores de combustibles fósiles, por los bioplásticos, biodegradables y dependientes de biomasa y recursos naturales renovables.
	La bacteria Xanthomonas campestris produce el xantán, un exopolisacárido con múltiples aplicaciones industriales como agente emulsificante y espesante. Para hacer más rentable el proceso de producción industrial, se están diseñando cepas manipuladas de esta bacteria para que pueda usar como fuente de carbono desechos de industrias, como el lactosuero procedente de las queserías.
	Las melaninas, usadas para bronceadore, protectores solares de plásticos, etc., se suelen obtener de modo químico o por procedimientos ineficientes de extracción de organismos. Se han localizado y aislado los genes de síntesis de melanina en la bacteria del suelo Streptomyces antibioticus, y se han transferido a otras bacterias más fáciles de manejar, lográndose en ellas su expresión.
	Se están intentando producir adhesivos biológicos por ingeniería genética. Por ejemplo, se aisló el gen de una proteína adhesiva del mejillón (Mytilus edulis), y se ha logrado expresar en microorganismos. Se espera que de tener éxito, esta proteína adhesiva pueda emplearse en adhesivos para dentistas y médicos.
	Se han iniciado estudios para ver la viabilidad de obtener caucho por ingeniería genética, a partir de genes de la planta productora (Hevea brasiliensis).

Artículos de esta sección:

[ Introducción a la Biotecnología ] [ Ingeniería genética básica ] [ Ingeniería genética industrial ] [ Manipulación de la expresión ] [ Ingeniería metabólica ]

Otras secciones de artículos y ensayos:

[ Bioética (general) ] [ Biotecnología (introducción) ] [ Genoma y sociedad ] [ Terapias génicas y sociedad ] [ Eugenesia ] [ Clonación y embriones ] [ Biotecnología vegetal ] [ Biotecnología y economía ]

Última actualización: martes 15 de febrero de 2005