¿Hemos creado vida artificial? (y 2)

Una de las virtudes del trabajo de Venter y su grupo ha sido traer a la actualidad el interés por aspectos de la Biología especulativa que habitualmente solo preocupan a unos cuantos forofos, tanto profesionales de la Biología como aficionados a la ciencia ficción. ¿Se puede decir que Venter ha sintetizado vida artificial? Bueno, para eso tendríamos que tener claro a qué nos referimos con "vida artificial". Y eso necesitaría, también, saber qué significa "vida".

En realidad, no existe una definición "formal" del concepto vida. Todo lo más se ha establecido una descripción parsimoniosa de los seres vivos basada en sus características fundamentales, y que es una versión sofisticada de esa que todos aprendemos de niños (los seres vivos nacen, crecen, se reproducen y mueren). El concepto actual de vida se aproxima, más bien, a lo siguiente:

La vida es una propiedad emergente de un cierto tipo de sistemas complejos caracterizados por:

• Su composición: todos los seres vivos estamos constituidos por el mismo conjunto de elementos. Además, no es una selección casual: las propiedades de estos elementos son las idóneas para mantener un entorno químico en el que coexisten moléculas estables, cuyos átomos están unidos entre sí mediante enlaces covalentes, con grupos reactivos y con fuerzas intermoleculares intensas y débiles.
• Su estructura: todos los seres vivos somos sistemas modulares constituídos por una o varias unidades básicas, las células. Además, la mayor parte de los organismos vivos somos sistemas enormemente recursivos, de modo que presentamos grados de organización jerarquizados que contribuyen a establecer mecanismos homeostáticos.
• Sus funciones: nutrición (intercambio de materia y energía entre los organismos y su entorno), relación (intercambio y utilización de la información, tanto interna como externa) y reproducción (formación de nuevos organismos, casi idénticos a los originales).

La conjunción de esas características da lugar a un tipo particular de sistemas,  que son a la vez capaces de mantener sus propiedades internas más o menos constantes a pesar de los cambios del entorno o de cambiarlas en respuesta a modificaciones. Es decir, los seres vivos somos sistemas homeostáticos y evolutivos.

¿Y qué hay de la vida artificial? En mi opinión, podríamos hablar de vida artificial si consiguiéramos alterar las características particulares de los organismos (composición, estructura, función) pero manteniendo las propiedades genéricas: homeostasis y evolución. Podríamos ir punto por punto, analizando las posibles modificaciones que nos indicarían que hablamos, realmente, de organismos sintéticos

Cambios en la función

En realidad éste es un paso que ya se ha iniciado: la transformación genética ha permitido introducir genes de unos organismos en otros , en particular en microorganismos y plantas, que les permiten desarrollar nuevas funciones. Este es, sin duda, el primer paso hacia el diseño inteligente de organismos, y se dio hace ya bastante tiempo. Sin embargo, al menos por el momento, estos genes extraños no proporcionan a los organismos modificados ventajas adaptativas (menos mal). Lo único que hemos hecho hasta ahora ha sido manipular a los organismos para que nosotros podamos obtener un mayor rendimiento de su utilización.

Cabe avanzar mucho más por este camino. Por ejemplo, entrando en los caminos de la especulación, por no hablar de ciencia ficción, líneas futuras de investigación en este ámbito podrían ser:

• Introducción en un organismo de rutas metabólicas completas, incluyendo sus mecanismos de regulación. Esto permitiría modificar el metabolismo de esos individuos, haciendo posible que utilizaran metabolitos que ahora quedan fuera de su alcance. De esta forma conseguiríamos que ciertos organismos utilizaran nuestros residuos como fuente de energía, o que burlaran la limitación al crecimiento que supone la presencia en el medio de cantidades reducidas de algunos elementos, como el nitrógeno. En teoría este es un paso relativamente sencillo, ya que somos capaces de introducir en un organismo un considerable número de genes simultáneamente.
• Diseño inteligente de genes: consistiría en el diseño integral de las proteínas, modelizando su estructura tridimensional para, a partir de ella, deducir su estructura primaria. El paso a secuencia de nucleótidos desde este paso es extremadamente sencillo, y la síntesis del gen completo es factible.
• Creación de rutas metabólicas "ex novo". En este caso se iría más allá, determinando la cadena de reacciones químicas y su regulación metabólica para aprovechar como metabolitos sustancias que ahora no pueden ser utilizadas por ningún organismo. Una gran oportunidad para la biodegradación de compuestos sintéticos o para la síntesis de nuevos compuestos.

Cambios en la estructura

Podríamos imaginar células animales con cloroplastos plenamente funcionales, capaces de desarrollar la fotosíntesis... O células vegetales con paredes celulares no celulósicas, aprovechables por nosotros, lo que permitiría incrementar el rendimiento energético de las plantas. Los cambios estructurales en los organismos podrían incluir la transferencia de orgánulos, modificaciones en las propiedades de los orgánulos que ya existen (cambios en su permeabilidad, por ejemplo para que las mitocondrias pudieran utilizar sustratos diferentes), o incluso el diseño de orgánulos específicamente diseñados para realizar ciertas funciones... Esto ya empieza a sonar mucho más a ficción científica que a proyectos de investigación, pero de eso se trataba.

Cambios en la composición

Terminemos de imaginar. Los organismos que conocemos utilizan, como es sabido, un pequeño grupo de elementos químicos. ¿Podríamos crear vida basada en el Silicio, y no en el Carbono? ¿Organismos capaces de sobrevivir en entornos no acuosos? ¿Diseñar sistemas químicos ad hoc para evolucionar en ambientes químicos inhóspitos, generando como residuos de su metabolismo compuestos que "abonaran" ese ambiente para que nosotros pudiéramos utilizarlo?

¿Hemos creado vida artificial?

Desde luego, lo ha vuelto a hacer. Venter, que ya consiguió la atención de todos los medios de comunicación (y una buena publicidad para su empresa) cuando informó de que se había secuenciado el genoma humano completo, ha vuelto a llamar la atención de todo el mundo, tanto científico como no científico anunciando lo que los medios han definido como "vida artificial" o, en un abuso de la literatura de baratillo, como "célula Frankenstein". Ha sido tal el revuelo generado que hasta la Iglesia Católica se ha apresurado a reclamar el copyright del engendro para el mismísimo Dios (pero si el autor ha sido Venter...). En fin, mucho ruido. ¿Qué hay de las nueces?


Sería interesante tratar de explicar varias cosas para comprender la importancia del trabajo, y luego sería hasta posible fantasear acerca de la idea de la vida artificial.


¿En qué consiste, realmente, el trabajo?

Uno de los principales avances del proyecto genoma humano, aunque sea valorado casi exclusivamente por los biólogos moleculares, ha sido el desarrollo de técnicas que simplifican considerablemente la secuenciación de moléculas de ADN de gran tamaño, lo que ha permitido conocer el genoma completo de varias especies muy diferentes entre sí. Evidentemente, el más llamativo es el genoma humano, tanto desde el punto de vista teórico como aplicado: es de esperar que el conocimiento de nuestro genoma nos permita, andando el tiempo, curar o incluso prevenir enfermedades genéticas. Sin embargo, desde un punto de vista más básico, el conocimiento del genoma de otros organismos puede tener la misma importancia, o incluso más. Ese es, por ejemplo, el caso de los Micoplasmas. Se trata de un grupo de bacterias carentes de pared celular y particularmente simples, con un genoma de entre 500.000 y 1.000.000 de bases, lo que es muy poco para un organismo "completo". Se ha secuenciado totalmente el genoma de varias especies de este grupo y, lo que es más importante, se ha podido identificar el conjunto de genes "imprescindibles" para que estas bacterias sobrevivan.

Venter y su grupo han trabajado en este caso con varias especies de este grupo de bacterias cuyo genoma completo se conoce. Lo que han hecho exactamente ha sido sintetizar artificialmente unos 600 fragmentos de aproximadamente 1000 pares de bases que cubren la secuencia génica que se considera imprescindible para la supervivencia de estos organismos. Han construido también otros genes, siempre a partir de secuencias conocidas, con dos propósitos distintos: cuatro secuencias actúan como "marcas de agua", permitiendo la identificación del genoma "sintético" diferenciándolo del genoma de la bacteria original. Otros dos genes se han incluido en la bacteria "sintética" para demostrar que ésta expresa correctamente dichos genes y que, por lo tanto, podemos hacer que "trabaje" para nosotros. En realidad este trabajo ya estaba terminado (y publicado) en el año 2008.


Otra parte diferente y complementaria del trabajo ahora publicado es el "ensamblaje" de esa secuencia de ADN sintetizada en un único vector de clonación. Un vector de clonación es una molécula de ADN que se usa para introducir material genético exógeno en una célula. Habitualmente se usan con este propósito plásmidos bacterianos, fagos o cósmidos, pero en este caso no era posible utilizar ninguno de estos tipos de vectores porque se requería que fueran capaces de introducir una cantidad de ADN mucho mayor que lo ordinario. Lo que se ha hecho, en cambio, ha sido construir un plásmido centromérico en una levadura. Los plásmidos centroméricos se caracterizan porque contienen secuencias propias de los centrómeros, que contribuyen a su estabilización, y secuencias de replicación autónoma.

La tercera pata del éxito de Venter ha sido la transformación de una bacteria con un vector tan grande como para contener el genoma completo de un organismo, si bien este resultado ya fue obtenido y publicado por su grupo en el año 2007, llamando la atención bastante menos que ahora. Desde luego, este es también un avance técnico de primer orden, y quizá sea el que más influencia tiene de cara a conseguir, en el futuro, "vida artificial", sea eso lo que sea; curiosamente, hasta ahora teníamos herramientas para sustituir completamente el genoma nuclear (convenientemente empaquetado) de un eucariota, lo que permitía la clonación de organismos completos; ahora esto demuestra que también podemos "transplantar" el genoma de una bacteria.

Una dificultad interesante que encontró el grupo de Venter al llevar a cabo la transferencia del genoma bacteriano es el hecho de que el genoma de Mycoplasma se encuentra metilado en su estado fisiológico, mientras que el plásmido creado en levaduras no lo está. Esto hacía inviable, en principio, la expresión de los genes clonados y transferidos. Los investigadores han esquivado este problema aplicando dos soluciones diferentes: eliminando el patrón de metilación de la bacteria antes de transformarla, lo que no ha impedido su actividad, y tratando el plásmido con metilasas extraídas de Mycoplasma mycoides, lo que también ha permitido el funcionamiento de los genes transplantados.

¿Y que hay de la vida artificial?

En mi opinión, nada. El avance del trabajo de Venter es de gran importancia, por supuesto; ha reunido información y conocimiento sobre el genoma mínimo de un organismo, y ha utilizado ese conocimiento para modificar una parte de él. Ha sido capaz de sintetizar artificialmente todo un genoma, y de transferirlo desde un sistema biológico de clonación a una célula receptora, igual que se hace con la clonación humana, sin que nadie lo llame "creación de seres vivos artificiales". Abre muchas puertas, crea muchas expectativas, pero no es vida artificial. Yo llamaría a Mycoplasma mycoides JCVI syn 1.0 "célula collage" o "célula pachtwork", pero no célula sintética o artificial.

Porque, para empezar... ¿A qué se podría llamar vida artificial? Como eso es más ciencia ficción o especulación teórica, prefiero dejarlo para una entrada distinta, con la promesa de que aparecerá inmediatamente.

Microbiología y biotecnología: el papel ecológico de los microorganismos

El concepto de microorganismo no hace referencia a un grupo taxónomico concreto, sino al conjunto de organismos de pequeño tamaño que pertenecen a los reinos Monera, Hongos y Protistas. Es evidente, por tanto, que la característica fundamental de los microorganismos es precisamente su diversidad.

En muchos casos, además, los microorganismos han evolucionado durante mucho tiempo (algunos son organismos extraordinariamente antiguos), ocupando ambientes marginales, en los que se dan características poco adecuadas para la vida, de modo que se han visto obligados a desarrollar rutas metabólicas especiales, que les permitan aprovechar recursos extraños o adecuarse a condiciones excepcionales. La diversidad metabólica de los microorganismos hacen de ellos un grupo clave desde el punto de vista ecológico: juegan un papel fundamental en el cierre de los ciclos de materia, pueden actuar como simbiontes o patógenos de otros organismos y colonizan entornos extremos.

La Tierra como planeta es un sistema cerrado. Esto significa que intercambia energía con su entorno, pero no materia. La consecuencia de este hecho es que la materia de nuestro planeta debe ser utilizada una y otra vez, reciclándose continuamente. En particular, los seres vivos modificamos la materia de un modo muy significativo al transformar la materia inorgánica en materia orgánica, con unas características químicas muy especiales. Para que los organismos puedan volver a utilizar la materia que necesitan la materia orgánica debe volver a ser transformada en inorgánica. Estos procesos definen los tres grandes papeles ecológicos que desempeñan los seres vivos en relación con las transformaciones de la materia:

• Los productores son organismos que utilizan materia inorgánica y, aprovechando energía captada de algunos procesos no biológicos, la transforman en la materia orgánica que necesitan para elaborar sus propios componentes.
• Los consumidores aprovechan la materia orgánica tanto para elaborar sus propios componentes como para obtener energía mediante reacciones de degradación de estos compuestos.
• Los descomponedores, además de utilizar para sus componentes la materia orgánica, la transforman en materia inorgánica para obtener energía.

En los ecosistemas es posible encontrar microorganismos que realizan las tres funciones. Sin embargo, los descomponedores son exclusivamente microorganismos, lo que da una primera idea de su importancia ecológica. Pero, además de su interés cualitativo, los microorganismos juegan un papel extraordinariamente activo en el funcionamiento de los ciclos de materia, debido a:

• Su amplia distribución ecológica: existe una gran variedad de microorganismos en todos los ecosistemas, por excepcionales que sean las condiciones ambientales de los mismos.
• Su facilidad de dispersión, facilitada por su pequeño tamaño, lo que facilita que aparezcan en cualquier entorno y contribuyan a su colonización antes de que lleguen hasta él otros organismos.
• Su diversidad metabólica, que les permite aprovechar prácticamente cualquier tipo de compuesto presente en el entorno.
• Su pequeño tamaño y rápido crecimiento, que favorece un rápido intercambio de sustancias entre los organismos y el entorno, facilitando la dinámica del ecosistema.

Ciclos biogeoquímicos de materia

La materia se encuentra en diferentes "depósitos" (geológico, hidrológico, atmosférico o biológico), pudiendo aparecer en cada uno de ellos en diferentes "formas" o sustancias químicas, que pueden transformarse unas en otras mediante reacciones químicas. Para analizar el comportamiento de la materia en el seno de un ecosistema se utiliza, normalmente, un enfoque de dinámica de sistemas, que centra su atención tanto en los depósitos de materia (formas de materia que contienen, cantidades) como en los flujos que se establecen entre ellos (caracterizados por una velocidad, que marca el ritmo con el que la materia pasa de un depósito a otro). Como las transformaciones suponen modificaciones químicas, es decir, transformaciones de una sustancia en otras, se suele tomar como unidad de estudio cada elemento químico. Los ciclos biogeoquímicos que más importancia tienen para los seres vivos son los del Carbono, el Nitrógeno, el Fósforo y el Azufre.

Ciclo del Carbono

El del carbono es un ciclo biogeoquímico "completo", en el sentido de que este elemento aparece en depósitos ubicados en todos los subsistemas terrestres. También es el ciclo en el que mayor importancia tienen los organismos vivos, como cabe esperar al tratarse del elemento químico fundamental en su composición.

Los seres vivos participan en prácticamente todos los procesos del ciclo del carbono, en especial en aquellos que tienen que ver con su incorporación a la materia orgánica, que es llevada a cabo por los productores mediante la fotosíntesis y, en menor medida, la quimiosíntesis, o su retorno a los depósitos no orgánicos: la respiración devuelve el carbono orgánico a la atmósfera, la muerte de los organismos lo deposita en el suelo, la deposición de los caparazones calcáreos da lugar a importantes formaciones sedimentarias de caliza y la descomposición anaerobia de los restos orgánicos forma los depósitos de hidrocarburos.

Los microorganismos, en particular, juegan importantes papeles en el desarrollo del ciclo del carbono:

• Incorporación del carbono a la materia orgánica:
• Fotosíntesis:
• Oxigénica: los protistas verdes y las cianobacterias son, junto a las plantas verdes, los principales productores de los ecosistemas.
• Anoxigénica: se debe a la actividad de bacterias fotosintéticas rojas y verdes.
• Quimiosíntesis: es desarrollada por bacterias de diferentes tipos
• Uso del carbono orgánico: todos los microorganismos utilizan el carbono orgánico como elemento básico de su metabolismo.
• Descomposición: bacterias y hongos son los responsables de la mineralización de los compuestos orgánicos de carbono
• Las arqueobacterias metanogénicas, un grupo de organismos filogenéticamente muy primitivos, utilizan el CO₂ para producir metano que es emitido a la atmósfera. A su vez, este metano puede ser utilizado por las bacterias metanotrofas para producir energía.

Ciclo del Nitrógeno

En comparación con el ciclo del carbono, en el ciclo del nitrógeno los organismos tienen una importancia relativa mucho mayor, ya que son los principales responsables de los cambios en el estado de oxidación de este elemento. Esto tiene una importancia considerable, ya que el estado de oxidación es el factor que determina la posibilidad de que los organismos puedan utilizar o no los compuestos nitrogenados.

En cuanto al desarrollo del ciclo en sí, apenas hay nitrógeno en la geosfera; los depósitos fundamentales de este elemnto son la atmósfera (donde se encuentra como N₂, en estado de oxidación cero) y los seres vivos.

Una característica peculiar del ciclo de este elemento es la gran diversidad de estados de oxidación en que se encuentra en la naturaleza, aunque solo algunos de ellos pueden ser asimilados por los seres vivos. Otra circunstancia que explica también la complejidad de la participación de los organismos en el ciclo del nitrógeno es que los seres vivos utilizan este elemento con dos propósitos diferentes: para incorporarlo a sus constituyentes esenciales (ácidos nucleicos, proteínas...), función imprescindible en todos los seres vivos, y para utilizarlo en ciertas reacciones químicas que proporcionan energía a algunos organismos (bacterias quimioautótrofas).

La incorporación de nitrógeno a la materia orgánica solo es posible cuando el nitrógeno se encuentra en ciertos estados de oxidación. Los organismos heterótrofos se caracterizan porque solo pueden utilizar el nitrógeno reducido, mientras que la mayoría de las plantas pueden usar también formas oxidadas como nitritos o nitratos, lo que explica el uso de estos compuestos como fertilizantes en los suelos. Por último, un reducido grupo de microorganismos son capaces de transformar nitrógeno molecular (N₂) en nitrógeno reducido (-NH₂), lo que les permite incorporarlo directamente en sus componentes. Este proceso, la fijación de nitrógeno, tiene una importancia ecológica enorme: el nitrógeno molecular es la forma química más estable de este elemento, y de no ser por los procesos que lo rompen (fijación biológica y, en mucha menor medida, fijación inorgánica debida a descargas eléctricas en la atmósfera), todo el nitrógeno tendería a acumularse en esta forma en la atmósfera, con lo que quedaría fuera del alcance de los seres vivos. La fijación de nitrógeno, por tanto, supone prácticamente el único mecanismo posible para incorporar a los organismos uno de los bioelementos primarios.

La fijación biológica del nitrógeno es un proceso complejo, que requiere un considerable aporte de energía y, sobre todo, condiciones de anaerobiosis estricta, porque el oxígeno envenena la enzima responsable del proceso, la nitrogenasa. En estas condiciones, la fijación de nitrógeno se limita a unos cuantos tipos de organismos que habitan en ambientes muy marginales o que son capaces de generar su propio ambiente anaerobio. Entre estos últimos, algunos grupos son de vida libre, es decir son capaces de desarrollar el proceso de modo totalmente independiente (como ciertas cianobacterias), mientras que otros establecen simbiosis con algunos tipos de plantas (en particular las leguminosas) que les proporcionan un ambiente adecuado para poder fijar el nitrógeno.

Uno de los casos más importantes de simbiosis entre organismos fijadores de nitrógeno y plantas es la que se establece entre las bacterias del género Rhizobium y las plantas de la familia de las leguminosas, que explica la costumbre tradicional de sembrar legumbres para enriquecer el suelo en compuestos nitrogenados. En esta asociación, las bacterias invaden las raíces de las leguminosas, y éstas responden creando a su alrededor una estructura llamada nódulo, en el que cada bacteria está rodeada de un material impermeable, que impide la llegada del oxígeno. Pero, además de la adaptación morfológica, las leguminosas expresan en sus raíces una proteína llamada leg-hemoglobina que se une al oxígeno, retirándolo de la zona donde se encuentran las Rhizobium. Lo peculiar del caso es que el nombre de leg-hemoglobina no es casualidad: la proteína de las leguminosas posee una estructura extraordinariamente parecida a la hemoglobina de vertebrados: incluye un anillo tetrapirrólico con un átomo de hierro en su centro, que es donde se fija el oxígeno, y la estructura terciaria de ambas proteínas es claramente similar.

Más aún, la estructura del gen de la leg-hemoglogina (su secuencia de intrones y exones y la frecuencia de aminoácidos utilizados) es bastante más parecida a las características de las proteínas animales que a otras proteínas de la planta, lo que lleva a pensar que probablemente la leg-hemoglobina es el resultado de una transferencia horizontal de genes entre animales y plantas, como resultado de una infección cruzada.

El resto de las transformaciones químicas del nitrógeno guardan también relación con la ecología de los microorganismos:

• El nitrógeno excretado por los seres vivos se encuentra en forma de amonio (NH₄⁺).  Varios géneros de bacterias utilizan este tipo de compuestos para obtener energía oxidándolos hasta la forma de nitritos (NO₃^-) o de nitratos (NO₂^-). Esta transformación mantiene aún el nitrógeno a disposición de los organismos, porque las plantas son, en general, capaces de absorber dichas formas químicas. Entre las bacterias que participan en estos procesos se encuentran las de los géneros Nitrosomonas, Nitrococcus o Nitrobacter.
• Algunas bacterias del género Pseudomonas llevan más allá este proceso, transformando los nitratos en nitrógeno molecular, con lo que lo dejan fuera del alcance de la mayor parte de los organismos.

Ciclo del azufre

El ciclo del azufre tiene lugar, fundamentalmente, en la geosfera; los depósitos atmosférico e hidrosférico de azufre son poco importantes, hasta el punto de que la concentración de azufre en el agua es uno de los factores limitantes para el desarrollo de los organismos en el medio acuático (junto con el nitrógeno y el fósforo).

Al igual que lo que ocurre con el nitrógeno, los organismos utilizan el azufre tanto para incorporarlo a sus moléculas (proteínas) como para obtener energía de sus reacciones de oxidación-reducción. La forma química del azufre utilizada por los seres vivos es el ión HS^-. Cuando el organismo muere, el azufre es depositado en el medio, donde es aprovechado por los organismos responsables de los procesos de putrefacción, que lo transforman en ácido sulfhidrico (H₂S), uno de los responsables del olor de los cadáveres. Este compuesto, a su vez, puede ser utilizado por bacterias quimiolitotrofas y fotótrofas, que lo oxidan hasta azufre molecular o hasta sulfato (SO₄⁼). Por último, los sulfatos pueden ser reducidos de nuevo a ácido sulfhídrico (reducción desasimiladora) o a ión sulfhidrilo (reducción asimiladora, que permite la reutilización del azufre por parte de los seres vivos, y que es realizada por plantas y varios tipos de microorganismos).

Otros ciclos biogeoquímicos

Los microorganismos intervienen también en el funcionamiento de los ciclos biogeoquímicos de otros elementos:

• En el ciclo del fósforo, el fitoplancton y los vegetales acuáticos incorporan los fosfatos a la cadena trófica. También son capaces de solubilizar los fosfatos inorgánicos.
• La participación de los microorganismos en el ciclo del hierro es también fundamental, porque son los responsables de los cambios en su estado de oxidación que, en el caso de este metal, suponen que pase a ser soluble o insoluble.
• Algunas bacterias son capaces de reducir el hierro III a hierro II, lo que permite su solubilización. Estos microorganismos requieren, para llevar a cabo este proceso, de ambientes anóxicos.
• Algunas bacterias quimiolitotrofas presentes en ambientes oxigenados realizan el proceso opuesto, oxidando el hierro II a hierro III, con lo que lo hacen insoluble.

Relación de los microorganismos con el hombre

Nuestro propio organismo ofrece un entorno adecuado para la proliferación de microorganismos, los cuales establecen con nosotros todo tipo de relaciones tróficas. Así, viviendo sobre nuestro cuerpo o en su interior podemos encontrarnos microorganismos simbiontes o comensales, que constituyen la biota bacteriana normal, o bien microorganismos parásitos. En particular, si los parásitos producen daños que dan lugar a enfermedades suelen denominarse patógenos.

En realidad, las relaciones que se establecen entre dos organismos son dinámicas, y pueden cambiar de características con el paso del tiempo. En el caso del hombre y los microorganismos es relativamente frecuente que algunos que forman parte de la biota normal se aprovechen de estados de debilidad del individuo en el que se encuentran y se transformen en patógenos oportunistas.

La biota normal del organismo se encuentra preferentemente en las superficies del cuerpo que se encuentran expuestas al contacto con el exterior del organismo, lo que incluye tanto la piel como las cavidades y órganos que tienen salida al exterior. En condiciones normales estos microorganismos no tienen efectos perjudiciales para el organismo. Más bien todo lo contrario: como mínimo, compiten por ocupar ese nicho con otros organismos potencialmente patógenos, dificultando o incluso impidiendo su proliferación, por lo que en cierto sentido nos protegen de infecciones.

En la piel y la cavidad bucal se encuentran fundamentalmente bacterias gram positivas, levaduras y estafilococos que, en ciertas ocasiones, pueden contribuir al desarrollo de ciertas enfermedades como la caries o el acné (Propionibacterium acnes).

En el tracto intestinal, por su parte, suelen encontrarse bacterias anaerobias como Escherichia coli, que contribuyen a la digestión y aportan vitaminas a la dieta. Los cambios en la composición de la biota intestinal normal suelen traducirse en episodios de colitis, no tanto porque actúen atacando la mucosa intestinal como porque unas bacterias desencadenan "guerras químicas" contra otra, perjudicando al mismo tiempo al organismo donde se encuentran.

En la mucosa del aparato genital, por último, se encuentran bacterias y hongos como Candida albicans. Estos organismos pueden desencadenar infecciones vaginales como consecuencia de cambios en el valor del pH del medio.

Nuestra biota microbiana normal incluye tanto una gran cantidad como una gran variedad de organismos. En cuanto a cantidad, frente a los diez mil millones de células que pueden constituir un organismo medio, el número de microorganismos que habitan en él puede ser un orden de magnitud mayor, es decir, unos cien mil millones de células.

En cuanto a la diversidad de la biota, solo en la piel podemos encontrar unas 120 especies de bacterias diferentes, mientras que en la boca puede llegar a haber entre 300 y 500 especies distintas. La mayor diversidad, en todo caso, se encuentra en el intestino, donde puede llegar a haber entre 5000 y 35000 especies distintas. Frente a esos datos, el número de especies potencialmente patógenas para el hombre está en torno a las 100, aunque ese número es poco indicativo de la importancia de la presencia de estos organismos. Podemos hacernos una idea más representativa si consideramos la prevalencia de estos organismos, es decir, la frecuencia con la que se encuentran en el ser humano, tanto produciendo enfermedades como sin llegar a provocarlas. Así, se estima que una de cada tres personas están "infectadas" por Mycobacterium tuberculosis (aunque esto no quiere decir que todos ellos tengan la tuberculosis), mientras que una de cada dos personas están infectadas por Helycobacter pylori, y otros tantos por Staphylococcus aureus.

La ingeniería genética

La alteración de las características genéticas de los organismos es una actividad que el ser humano ha practicado desde la antigüedad. Tradicionalmente, la búsqueda de características biológicas útiles para el hombre se ha hecho utilizando mecanismos que no implicaban la alteración directa del material genético. Sin embargo, actividades tales como la selección de los organismos que presentan características interesantes, el cruzamiento de individuos para obtener otros con una combinación más apropiada, o la hibridación de variedades son, en realidad, técnicas que inciden directamente sobre el genoma de esos organismos.

En el siglo XX, el descubrimiento de la naturaleza química del material genético abrió la puerta a la utilización de nuevas técnicas. Primero fue la mutagénesis dirigida, consistente en tratar a los organismos con un agente mutágeno y seleccionar aquellos que, como resultado de las mutaciones, presentan características interesantes. Más adelante, a partir de los años 70' del pasado siglo, los conocimientos aportados por la Biología Molecular permitieron la manipulación directa del material genético.

Habitualmente se suelen confundir los conceptos de manipulación genética y de ingeniería genética. En realidad, la manipulación genética "indirecta" ha existido siempre, como lo muestra la gran diferencia que existe entre los organismos "domesticados" (ya sean animales o plantas) y sus ancestros "silvestres". Los resultados de la selección artificial en Brassica se muestran en la siguiente imagen.

La ingeniería genética, por su parte, es el término que suele utilizarse para la alteración directa y dirigida del material genético de un ser vivo.

La naturaleza química del ADN, y la presencia en los organismos de una gran diversidad de enzimas que son capaces de actuar sobre esta molécula, han permitido a los investigadores utilizar estas máquinas moleculares para alterar de un modo controlado la información genética de los organismos. Gracias a sus propiedades, los biotecnólogos son capaces de manipular el ADN de varios modos diferentes:

• Extracción: consiste en separar el material genético de una célula del resto de los componentes de la misma. La extracción es el paso inicial, imprescindible, para cualquier otro proceso de manipulación.
• Corte del ADN: las moléculas de ADN tienen un tamaño enorme, y contienen grandes cantidades de información. Para poder manipularlas de forma más o menos eficaz es necesario trocearlas, para poder alterar solo aquellos fragmentos que tienen los genes que nos interesan. El corte de las moléculas de ADN se realiza utilizando enzimas extraidas de algunos organismos, que actúan, en algunos casos, cortando la molécula en fragmentos de cierto tamaño, y en otros cortando el ADN en zonas concretas, en las que se presentan ciertas secuencias reconocidas por las enzimas de corte (restrictasas).
• Empalme del ADN: los fragmentos de ADN que han sido obtenidos en los procesos anteriores pueden unirse entre sí o con otros, con ayuda de la ligasa, una de las enzimas que participan en el proceso de replicación de ADN. Esto permite unir un fragmento que se haya seleccionado a otra molécula de ADN, incorporándole las características de ese fragmento.
• Transformación: reintroducción del material genético manipulado en un organismo para que lo exprese y de lugar a la proteína que se buscaba conseguir.

La ingeniería genética incluye una gran variedad de técnicas y actividades, aunque como ejemplos se pueden citar algunas de gran interés:

• Clonación génica: consiste en la identificación, extracción y aislamiento de un gen para integrarlo en el genoma de un organismo diferente. De este modo se consigue que un organismo, normalmente fácil de cultivar en procesos industriales, sea capaz de sintetizar compuestos propios de otros. Un ejemplo ya tradicional de este tipo de técnicas es la cloanción del gen de la insulina: se consiguió aislar el gen humano que codifica para la producción de la insulina, e introducirlo en Escherichia coli, un organismo muy fácil de cultivar, de modo que la bacteria produce, en instalaciones industriales y en grandes cantidades, insulina que puede ser utilizada como medicamento en el tratamiento de la diabetes.

• Pruebas de ADN: se trata de identificar la procedencia de fragmentos de ADN de origen desconocido, relacionándolos con una muestra cuyo origen sí se conoce. Las pruebas de ADN se basan en el principio de complementariedad de bases, ya que consisten, en definitiva, de asociar una cadena de la molécula problema (la que queremos investigar) con otra que suponemos que es su complementaria. Para poder realizar este tipo de ensayos es necesario contar con una cantidad relativamente grande de ADN problema, lo que se consigue gracias a la técnica llamada "PCR" (reacción en cadena de la polimerasa), que permite multiplicar fácilmente pequeñas cantidades iniciales de ADN. Las aplicaciones prácticas de las pruebas de ADN son muy variadas, y van desde la identificación de personas (por ejemplo, en los casos de investigación forense) hasta el estudio evolutivo, por comparación de las secuencias de ADN de especies extinguidas y actuales, para determinar el grado de parentesco, pasando por aplicaciones médicas como la identificación de genes responsables de la aparición de ciertas enfermedades.

• Clonación de individuos completos: en este caso se pretende conseguir un organismo completo idéntico en todos los aspectos determinados genéticamente a uno que ya existía. En vegetales es un procedimiento extraordinariamente sencillo, hasta el punto de que cualquier aficionado a la jardinería lo lleva a cabo cuando reproduce una planta mediante esquejes. En animales el proceso es bastante complejo, especialmente en cordados, porque las células del organismo adulto están "diferenciadas", es decir, han bloqueado la expresión de algunos de sus genes. La primera clonación de vertebrados se llevó a cabo en la década de los 60' del siglo XX, en un tipo de sapo africano. Sin embargo, no hay duda de que el caso de clonación más conocido es el de la oveja Dolly, que fue el primer mamífero con el que tuvo éxito esta técnica.

• Terapia génica: consiste en insertar un gen funcional en las células de un paciente humano para corregir un defecto genético o para dotar a las células de una nueva función.

 Clonación de un gen

La clonación génica consiste en extraer un gen de un organismo e introducirlo en otro distinto, de modo que el segundo sea capaz de producir la proteína codificada por ese gen. Este tipo de técnicas se utilizan para producir medicamentos u otras proteínas de interés (por ejemplo anticuerpos), pero también para que el organismo genéticamente modificado adquiera características de las que inicialmente carecía. En este sentido se han utilizado técnicas de ingeniería genética, por ejemplo, para conseguir que algunas frutas u hortalizas maduren más lentamente, con lo que su duración es mayor.

La clonación génica pasa por las siguientes etapas:

1. Extracción del ADN del organismo cuyo gen se quiere clonar.
2. Fragmentación del ADN extraído.
3. Identificación/aislamiento del gen buscado.
4. Introducción del gen en el organismo que va a producir la proteína clonada.
5. Identificación y selección de los organismos transformados que poseen el gen clonado.

La extracción del ADN es un proceso relativamente sencillo, gracias a que el ADN es una molécula bastante resistente a los tratamientos químicos. El procedimiento incluye la rotura (lisis) de las células, seguida de una centrifugación en la que se eliminan los restos celulares de mayor tamaño. La separación del ADN del resto de los compuestos solubles se realiza por precipitación con alcohol isopropílico. Una nueva centrifugación da lugar a un precipitado de ADN prácticamente puro.

El segundo paso de la clonación es la individualización del gen que interesa clonar. El material genético de partida es el genoma completo de un organismo, millones de bases de las que interesan apenas unas mil. Además, no existe un modo directo de encontrar un gen entre tanto material genético. En todo caso, lo primero que hay que hacer con ese material genético es "trocearlo", utilizando para ello enzimas capaces de cortar la molécula de ADN, que reciben el nombre de restrictasas.

Existen varios tipos de restrictasas. Algunas de ellas son "inespecíficas", lo que significa que cortan la cadena de ADN independientemente de la secuencia que éste presente. En ese caso el corte puede producirse al azar o cada cierto número de nucleótidos. Sin embargo, las restrictasas más interesantes para la ingeniería genética son las que reconocen ciertas secuencias de ADN y cortan la molécula precisamente por esas zonas.

Las secuencias reconocidas por las restrictasas suelen ser palindrómicas, es decir, capicúas, y en muchos casos las enzimas las cortan dejando cadenas con extremos de diferente longitud, como se aprecia en la imagen:

Los extremos de este corte reciben el nombre de "cohesivos" porque actúan, en cierto sentido, como "tiras de velcro": las zonas no apareadas se complementan con las de otra molécula de ADN cortadas con la misma enzima, de modo que si se ponen juntos dos fragmentos de ADN cortados con la misma restrictasa (y esta deja fragmentos cohesivos), los extremos de dichos fragmentos se unirán entre sí espontáneamente, permitiendo que vuelvan a unirse.

En general, el ADN aislado se corta con una enzima de restricción que proporcione extremos cohesivos. Si se conoce la secuencia del gen, se trata de seleccionar una restrictasa que no corte la secuencia del gen. Existe un número considerable de restrictasas, cuya secuencia de corte es conocida, lo que facilita bastante el trabajo en este caso.

El gen que se busca es uno de los miles de fragmentos que se han obtenido en el proceso de corte. La individualización de los fragmentos de ADN se hace utilizando técnicas de separación, en especial la electroforesis en gel de agarosa. Esta técnica aprovecha el hecho de que el ADN esté cargado eléctricamente a pH fisiológico. Si se aplica un campo eléctrico a una mezcla de moléculas de ADN éstas se mueven hacia el polo positivo, a una velocidad que es inversamente proporcional a su tamaño. De este modo, haciendo correr esas moléculas a través de un gel durante un tiempo fijo es posible separar las moléculas en función de su longitud.

La electroforesis en gel permite separar entre sí los fragmentos de ADN según su tamaño, lo que facilita su identificación. Sin embargo, no es suficiente; aún es posible que haya cientos de fragmentos de ADN de tamaño similar al que se busca, por lo que sigue siendo necesario localizar el gen concreto que interesa en el proceso. Básicamente, se utilizan dos técnicas para conseguirlo. La más antigua es la elaboración de una "genoteca", aunque el desarrollo de técnicas más modernas ha permitido utilizar "sondas" para identificar genes.

La estrategia de elaboración de una genoteca es bastante simple desde el punto de vista conceptual: como no se conoce el fragmento concreto que incluye el gen que se quiere clonar, se utilizan todos en los pasos siguientes. Con ello se obtiene una gran conjutno de poblaciones de organismos transformados con diferentes fragmentos de ADN, cada una de las cuales expresa un fragmento distinto del ADN manipulado. Es decir, tenemos una colección de genes procedentes del organismo inicial, lo que llamamos una genoteca. La población que exprese y produzca la proteína que interesa conseguir será la que utilizaremos más adelante. La ventaja de esta técnica es que, en un solo proceso, se pueden conseguir organismos transformados que expresen muchos genes, algunos de los cuales pueden ser interesantes. El inconveniente más importante es que es necesario manejar un gran número de poblaciones de organismos, lo que hace el proceso muy complejo y costoso.

La otra estrategia es el uso de sondas para identificar el fragmento de ADN que contiene el gen. Una sonda es un fragmento de un ácido nucleico (ADN o ARN) que se marca para poder reconocerla y que se une específicamente, gracias al principio de complementariedad de bases, a una región específica del ADN. Para identificar un gen a partir de una mezcla de fragmentos de ADN es posible, actualmente, sintetizar  en el laboratorio una sonda de ADN, si se conoce la secuencia de bases o incluso la de aminoácidos de la proteína. Esta sonda, convenientemente marcada, se une al fragmento de ADN con una secuencia complementaria, lo que permite identificar esa secuencia en una electroforesis. A partir de ese momento se tiene el ADN concreto que se buscaba para seguir el proceso de clonación.

El objetivo final del proceso de clonación, no hay que olvidarlo, es introducir el gen del primer organismo en otro distinto. Para llevar a cabo este proceso hay que superar varios obstáculos, el primero de los cuales es que las células no aceptan sin más ADN extraño en su interior, sino que tratan de degradarlo. No obstante, hay algunos casos en los que sí se produce incorporación funcional de ADN en un organismo (los plásmidos en el caso de las bacterias, las infecciones víricas en todos los tipos celulares). Estos elementos capaces de incorporar ADN a las células que se van a transformar reciben el nombre de vectores, porque "transportan" el fragmento genético clonado hasta el interior de la célula.

Los vectores más utilizados en la clonación de genes son pues plásmidos o virus que no producen daños en la célula a la que atacan. Los biólogos moleculares que trabajan en este campo se han dedicado, durante mucho tiempo, a "manipular" estos vectores para introducir en ellos las características que resultan interesantes para su uso en la ingeniería genética. Tales características son:

• Poseer un "gen marcador", que codifique para una característica fácilmente reconocible. Esto permite identificar a las células que han absorbido y expresado el vector y por tanto el gen clonado.
• Tener secuencias de corte únicas para las enzimas de restricción que se utilizan en el proceso de clonación. La mayoría de los vectores habituales han sido manipulados hasta tal punto que todos ellos poseen puntos de corte únicos para multitud de restrictasas, localizados en zonas fuera de los genes necesarios para el funcionamiento del vector, de modo que se pueden utilizar en la mayor parte de los procedimientos de clonación sea cual sea la enzima apropiada para cortar el gen.

El vector se corta con la misma restrictasa que el material genético aislado que contiene el gen. Ambas muestras de ADN se mezclan, con lo que los extremos cohesivos de los dos fragmentos pueden asociarse entre sí gracias a la complementariedad de bases. Los fragmentos asociados así se unen covalentemente con ayuda de la ADN ligasa, de forma que, al final, se posee un "vector recombinante", una molécula que incluye el material genético del vector unido al fragmento de ADN que se pretende clonar.

El segundo obstáculo a superar es la propia entrada del material genético en la célula, lo que se conoce como transformación. Para que esto ocurra, hay que hacer que el ADN atraviese, al menos, la membrana celular. El proceso de transformación supone, en general, eliminar la pared celular si está presente y facilitar la formación de "poros" temporales en la membrana de las células, que deben cerrarse una vez que el vector haya tenido la posibilidad de entrar en la célula. Existe una estrategia alternativa, que consiste en utilizar una "pistola de genes", un aparato que dispara el ADN transformante, situado en la superficie de micropartículas de oro, contra las células a transformar.

No todas las células que son sometidas a la transformación captan el ADN exógeno. Los genes marcadores de los vectores sirven, en este paso del proceso, para seleccionar las células que sí lo han hecho, utilizando la expresión de dicho gen. Por ejemplo, si el marcador es un gen de resistencia a un antibiótico (como la ampicilina, que se utiliza en ingeniería genética porque no tiene valor clínico), se cultiva las células en presencia de esa sustancia; las que son capaces de crecer incluyen el plásmido.

De entre las células transformadas, finalmente, se selecciona aquellas que son capaces de producir la proteína de interés, de modo que se ha conseguido expresar el gen en un organismo diferente.

La clonación de genes suele utilizarse para producir proteínas de interés en microorganismos fáciles de cultivar en condiciones industriales. Por esa razón suelen utilizarse para estos fines bacterias, cuya manipulación es muy sencilla, o también levaduras (como Saccharomyces cerevisiae) y hongos filamentosos (como los de los géneros Aspergillus o Penicillium) que, además de ser fáciles de cultivar, tienen la ventaja de ser eucariotas, con lo que introducen en las proteínas las mismas modificaciones postraduccionales que los organismos de los que proceden, y de secretar las proteínas con gran facilidad, lo que hace más sencilla la recuperacion del producto.

Pruebas de ADN

Las pruebas de ADN son procedimientos en los que se compara una muestra "problema" de ADN, cuya identidad se desconoce, con otra conocida, con el propósito de identificarlas. Las técnicas y herramientas concretas que se utilizarán dependen, en buena medida, del objetivo de la prueba, que puede ser relativamente diferente entre unos casos y otros. Entre los usos más habituales de este tipo de técnicas destacan:

• Identificación forense: el ADN de cada individuo es diferente al de los demás (excepto, claro, en el caso de gemelos idénticos), de modo que si se dispone de una muestra de ADN de identidad conocida, puede emplearse una pequeña cantidad de ADN para identificar, sin lugar a dudas, la identidad del donante problema. Este tipo de pruebas suelen realizarse con propósitos legales, especialmente en la identificación de autores de delitos, o de víctimas desconocidas.
• Pruebas de parentesco: de modo similar, el ADN de cada individuo comparte un cierto grado de similitud con el de sus parientes (por ejemplo, padres e hijos comparten un 50% de su material genético), de modo que pueden compararse muestras de dos individuos diferentes en busca de parecidos o diferencias. Entre este tipo de pruebas se incluyen, por ejemplo, las de determinación de paternidad: comparando la muestra del individuo con las de sus presuntos padres, puede llegar a determinarse la paternidad con un grado de fiabilidad muchísimo mayor que utilizando las pruebas genéticas tradicionales. Una extensión de este tipo de pruebas es la identificación de relaciones filogenéticas: puede compararse el ADN de especies diferentes para analizar el grado de similitud entre ellas, que está estrechamente relacionado con su parentesco evolutivo.
• Detección de enfermedades genéticas: la identificación de las versiones "normales" y mutadas de los genes que provocan enfermedades congénitas ayuda al diagnóstico precoz de este tipo de enfermedades, utilizando los genes mutados como sonda para la localización de dicha secuencia en los individuos que se quieren estudiar. El diagnóstico precoz es, en muchos casos, un factor importante en la mejora de la calidad de vida de los pacientes de este tipo de enfermedades.

En todo caso,  las pruebas de ADN requieren disponer de una cantidad suficiente de muestra para poder ser comparada. La técnica conocida como PCR (reacción en cadena de la polimerasa) ha facilitado en gran medida este proceso, porque proporciona cantidades considerables de ADN a partir de una cantidad muy reducida de muestra.

La reacción en cadena de la polimerasa, desarrollada en los años 80' del siglo XX, se basa en la resistencia a la temperatura de la polimerasa de ADN procedente de un organismo termófilo, Tetrahymena thermophila, que se encuentra en las surgencias oceánicas. Los organismos que viven en esos ambientes son capaces de soportar temperaturas extremadamente elevadas, lo que supone que sus proteínas son especialmente resistentes a la desnaturalización por calor. Sabido esto, el fundamento de la técnica de PCR es bastante sencillo: la polimerasa es capaz de copiar moléculas de ADN monocatenario si dispone de un molde y nucleótidos trifosfato, y el ADN bicatenario se separa en sus dos hebras al aumentar la temperatura. Es decir, si se dispone de una cierta cantidad de ADN, se puede calentar para desnaturalizarlo (separarlo en sus hebras). Al añadirle polimerasa y nucleótidos trifosfato, la enzima copia las hebras de ADN. Si al finalizar el proceso se vuelve a calentar, se consigue la separación de las hebras, que pueden volver a servir de molde para un nuevo ciclo de replicación. Entre tanto, la enzima permanece activa gracias a su resistencia a la desnaturalización.

Así pues, partiendo de una pequeña muestra de ADN, fácil de obtener a partir de casi cualquier tejido biológico, se utiliza la PCR para amplificarla hasta conseguir la cantidad necesaria para realizar la prueba. Si se trata de comparar la muestra problema con un patrón conocido, ambas se cortan con una mezcla de restrictasas que proporcionan un conjunto de fragmentos de diferente tamaño, los cuales, a continuación, se someten a una electroforesis en gel. Se comparan entre sí los fragmentos del "patrón" y del "problema", lo que proporciona la información buscada.

• Si se trata de identificar a un individuo, los fragmentos de la muestra patrón y de la muestra problema deben ser idénticos.
• Si se trata de un análisis de parentesco, es necesario introducir en el estudio muestras de parientes conocidos del individuo (por ejemplo, en el caso de la determinación de paternidad es necesario incluir el ADN materno, para reconocer qué fragmentos proceden de la madre y cuáles pueden proceder del presunto padre).

En el caso de la detección de enfermedades genéticas, es necesario contar con una sonda de ADN con la secuencia específica que determina la enfermedad. La sonda se marca para poder reconocerla, y se añade a la muestra de ADN del paciente. La mezcla se calienta, para desnaturalizar el ADN, y se busca la presencia de material genético marcado. En caso de que aparezca, significa que está presente el alelo responsable de la enfermedad.

Clonación de individuos completos

La clonación de organismos pretende obtener individuos genéticamente idénticos a otros que ya existían. En general, en el caso de las plantas esto no supone ningún tipo de problema, ya que incluso es un proceso natural: la reproducción vegetativa (por esquejes). En el caso de los animales, también existen casos de "clonación natural": los gemelos idénticos, que se forman a partir de un único cigoto que, durante el proceso de división celular normal, se divide en varios. En algunas ocasiones, cada una de las partes puede llegar a desarrollarse por separado, con lo que se obtiene individuos que son totalmente idénticos entre sí.

El interés de la clonación, dejando aparte argumentos de ciencia ficción, está, por una parte, en obtener individuos animales que posean las mismas características genéticas que uno dado (por ejemplo ejemplares de ganado). Otra utilidad puede ser la de recuperar especies extinguidas a partir de su material genético conservado, como se ha tratado de hacer en la Universidad de Zaragoza con el sarrio.

La clonación, en si, es teóricamente sencilla, ya que consiste en sustituir el núcleo de un cigoto por el de una célula somática del organismo que se quiere clonar. Técnicamente, este procedimiento no plantea demasiados problemas; las células son lo suficientemente grandes como para poder ser visualizadas con el microscopio óptico, y se dispone de instrumental adecuado para manipular los núcleos. La célula se inmoviliza con una pipeta que absorbe el aire, haciendo ventosa, y el núcleo se extrae con una microjeringa. Si se trata del óvulo, el núcleo (que solo posee n cromosomas) se desecha. En cambio, si se trata de la célula donante, el núcleo se conserva dentro de la microjeringa y se utiliza para introducirlo en el ovocito.

El mayor problema de la clonación de animales, especialmente de animales complejos, está en conseguir que las células somáticas adultas se desdiferencien, lo que se consigue manteniéndolas en un medio de cultivo pobre en nutrientes.