El origen de la biotecnología se remonta muchos años atrás en la historia. Los antiguos egipcios ya se habían adelantado a la revolución provocada por el descubrimiento de la penicilina en el siglo XX, ya que sin saberlo, utilizaban el hongo del pan (una buena fuente de antibióticos) colocándolo como una cataplasma sobre las heridas infectadas. Del mismo modo, las primeras evidencias del proceso de fermentación del vino provienen desde hace 7000 años, de acuerdo a análisis químicos realizados en tinciones de jarros iraquíes de la época.

La biotecnología se puede definir como la elaboración de productos y servicios utilizando procesos biológicos. El desarrollo actual de ella está permitiendo utilizar técnicas más limpias, más baratas, con menos gasto energético que lo que actualmente utiliza la industria manufacturera a la agricultura.


La industria de la fermentación

Su historia y evolución

Fue el progreso del microscopio, a comienzos del siglo XIX, la que permitió conocer el rol de los microorganismos en la fermentación, y luego, también utilizarlos para otros fines. En el año 1884, Max Delbruck (tío del pionero de la biología molecular del mismo nombre), declaró después de mucho estudiar el hongo de la fermentación: "la levadura es una máquina", y fue así como visualizó el potencial de la biotecnología.

Pero fue la Primera Guerra Mundial la que realmente lanzó la biotecnología a las etapas industriales. Los microbiólogos comenzaron a estudiar la fermentación que la levadura realizaba partiendo del azúcar para llegar al etanol (un alcohol). Desde allí extendieron el concepto de la fermentación, incluyendo todos los variados procesos por los cuales los microorganismos convierten una materia prima en un producto útil. Así par ejemplo en Inglaterra se desarrolló un proceso usando el bacterio "Clostridium acetobutylicum" que podía transformar el almidón de alimentos como el arroz, las papas o el maíz, en acetona y butanol, ambos compuestos que son buenos solventes. El butanol es una materia prima necesaria en la producción de goma sintética, lo que se había convertido en indispensable cuando comenzó a escasear, a comienzos de la guerra, el caucho natural. Par otra parte, la acetona y el glicerol (glicerina), eran sustancias que podían prepararse por fermentación, y que eran ingredientes de explosivos.

La tecnología de fermentación desarrollada en ese entonces, aún es importante hoy día. Pero en la década del 40, muchos de los productos obtenidos por fermentación fueron reemplazados por productos de la química del petróleo, ya que éstos eran más baratos. Pero más tarde (1953) se produjo el gran descubrimiento de Watson y Crick, de la estructura del DNA. Se inició allí una nueva etapa y en la década del 70, con los científicos Paul Berg, Herbert Bayer y Stanley Cohen, se llegó al desarrollo de la llamada "ingeniería genética". La ingeniería genética permite transferir genes de una especie a otra. La biotecnología comenzó a utilizar esta nueva herramienta para crear "organismos transgénicos" de todo tipo, ya fueran microorganismos, plantas o animales. Estos llevan DNA recombinante, lo que es una combinación de genes que no ocurre normalmente en la naturaleza (Fig. 1).

Hoy en día la biotecnología es una actividad multidisciplinaria, que necesita de la química, la biología, la ingeniería y muchos otros especialistas. Su campo es enorme. Ella incluye numerosas y sofisticadas tecnologías, como la producción de drogas en la leche de ovejas y vacas transgénicas (Creces, Junio 1997, pág. 12), mezclas microbiológicas que pueden limpiar la tierra contaminada, plantas transgénicas, que acentúan alguna propiedad, como también animales que pueden producir más alimentos o que son resistentes a determinadas enfermedades. Junto a ello, cientos de diferentes microorganismos capaces de producir productos de fermentación, como aminoácidos, enzimas, vitaminas y antibióticos.

Todas las células vivas producen una amplia variedad de moléculas conocidas como "metabolitos". Aquellos esenciales para la vida (los aminoácidos que constituyen las proteínas, o las enzimas que aceleran las reacciones biológicas) se conocen como metabolitos primarios. Pero los microorganismos y las plantas también pueden producir sustancias no esenciales, que se han llamado metabolitos secundarios. Tal es el caso de la penicilina o la morfina.

De los 20 aminoácidos que son esenciales para la vida, el organismo humano puede sintetizar solo 12. Los otros ocho, deben ser suministrados por la dieta. Pero las bacterias pueden sintetizar todos los aminoácidos, los que en último término llegan a los humanos. Aminoácidos como la lisina y el triptofano se usan como suplementos tanto para la alimentación humana como animal. También los aminoácidos se usan en la producción de edulcorantes como el aspartame, un dipéptido formado por ácido aspártico y fenilalanina.

Las enzimas microbianas tienen muchos usos, desde el procesamiento de alimentos hasta la producción de métodos diagnósticos en medicina. Las enzimas también se usan como ingredientes activos en los detergentes. En la década del 60, científicos daneses descubrieron que una enzima llamada proteasa, proveniente del bacterio Bacillus licheniformes, podía romper las proteínas, como por ejemplo las proteínas de la sangre o del huevo. Otras enzimas que se agregan a los detergentes incluyen la amilasa, que disuelve las manchas de almidón de los alimentos infantiles y las lipasas, que atacan las manchas de grasas, incluyendo las manchas de los lápices labiales (lo que no deja de ser importante). Las enzimas trabajan mejor a temperaturas moderadas, con lo que el lavado puede hacerse con agua fría, economizando energía.

Algunas de las bacterias de uso industrial más interesantesson los "extremófilos" (Los extremófilos). Su nombre proviene porque son capaces de existir en los límites de la vida, ya sea bajo tremendas presiones en las profundidades del océano o cerca del punto de congelamiento en la Antártida. Para sobrevivir, los extremófilos han desarrollado interesantes variables bioquímicas. Por ejemplo el bacilo "Thermus aquaticus", que se ha encontrado viviendo a una temperatura cercana a los 100ºC en los Geyser del Parque Yellowstone en USA, es la fuente de una enzima llamada Taq DNA polimerasa. La enzima se usa en una técnica llamada "reacción en cadena de la polimerasa" (PCR), que puede amplificar el DNA rápidamente, haciendo así posible contar con suficiente cantidad para analizar el DNA proveniente de una muy pequeña muestra. Ello es útil en la medicina forense, ya que con esta técnica se puede analizar el DNA de un pelo que quedó en la escena del crimen.

Los antibióticos son los principales metabolitos secundarios que se extraen de los microorganismos. La Penicilina, que algunos sostienen que es el descubrimiento más importante del siglo XX, se produjo por primera vez a partir de una cepa de Penicillum crysogenum. Aún hoy en día, continúa produciéndose por fermentación.

Especies de las bacterias "Alcaligenes" producen compuestos de carbón almacenado, como el polihidroxibutirato (PHB), que cae dentro del rango de plásticos biodegradables, conocido como Biopol. Cuando este Biopol se desecha, los microorganismos del ambiente rápidamente lo degradan hasta carbón, CO₂ y agua. El plástico convencional persiste indefinidamente.

La primera etapa de una fermentación exitosa es la selección de un organismo que produzca una buena concentración del producto deseado. Hasta ahora se han descrito aproximadamente 6.000 clases de microbios diferentes, pero tienen que descubrirse aún muchos miles más. Los tests de laboratorios van permitiendo conocer que especies o cepas (una variante dentro de la especie) pueden trabajar bien en una determinada fermentación. Otras veces, tratando los microorganismos con rayos X o luz ultravioleta, se logra producir cepas mutantes que dan una cosecha muy alta. Así por ejemplo, cepas mutantes producen una cosecha de clortetraciclina el doble de una cepa original.

A los microorganismos hay que estimularlos para que sean capaces de almacenar el máximo de producción. Aunque no son descomedidos para alimentarse, a menudo rinden más con dietas especializadas. Por ello el productor industrial tendrá que arreglárselas para conseguir los nutrientes más baratos posibles, y ojalá que éstos sean un subproducto, como la maleza del azúcar de remolacha, ya que así bajan los costos.

Un fermentador, no es más que un gran contenedor de acero inoxidable, que está provisto además de un aireador y paletas (o burbujas, fig. 2) para revolver la mezcla fermentativa. Esta es un caldo del cultivo, con los nutrientes y los microbios que trabajan. Los fermentadores más modernos también tienen una unidad de control que monitorea y ajusta la temperatura, los niveles de oxígeno y otras condiciones que requiere el proceso.

En la fermentación la temperatura es especialmente importante. Durante el proceso, en la medida que se mueven las paletas, los microorganismos generan calor, por lo que en ésta tiene que controlarse continuamente la temperatura. Lo más delicado en el proceso de fermentación es la contaminación con los miles de millones de microorganismos que están tanto en el aire, como en los cuerpos de las personas que operan la planta, como también en los ingredientes utilizados. Si un organismo contaminante llega a sentirse a gusto en el medio de cultivo, se echa a perder todo el proceso al usurpar el espacio a los microbios que interesan. Los nutrientes y todo el equipamiento debe esterilizarse por vapor presurizado antes que comience la fermentación, y al mismo tiempo debe filtrarse el aire antes que entre al vaso.

La extracción del producto se llama "proceso de bajo vapor". Si el producto permanece almacenado dentro de la célula del microorganismo, éste debe macerarse por medio de un homogenizador (como una juguera) o someter a la acción de detergentes para romper sus paredes. Una vez que el producto está en el caldo de fermentación, debe extraerse con solventes orgánicos (como se hace con la penicilina) por cromatografía.

Otras veces es más bien el proceso y no el producto, lo que tiene valor comercial. Los microorganismos son extraordinariamente adaptables. Coma todas las cosas vivas requieren de una fuente de carbón. Si viven cerca de una fuente de carbón, como los desechos del petróleo que para los humanos es tóxico, ellos en cambio lo utilizan, degradándolo durante el proceso hasta llegar a CO₂ y agua. Esto se puede explotar: comunidades de microbios comedores de tóxicos se utilizan para limpiar tierras contaminadas, por ejemplo con desechos de petróleo (fig. 3).

Los hongos son especialmente apropiados para absorber metales pesados tóxicos, como el níquel, el plomo y aun el uranio. El proceso se llama ""bioabsorción"". Las paredes de los hongos contienen quitina, un polisacárido que se une fuertemente a los iones metálicos. La bioabsorción se usa para concentrar químicos y aún deshechos nucleares, logrando así manejarlos más fácilmente. Los hongos se organizan en alfombras, donde se atrapan los desechos. Los metales pesados pueden recuperarse de estas alfombras filtros o simplemente pueden concentrarse allí para posteriormente desecharlos.


La moderna biotecnología en plantas y animales

Las plantas son las mayores productoras de alimentos y también ellas son la principal fuente de producción de drogas, saborizantes y textiles. Tradicionalmente todos estos productos se extraen de sus hojas o raíces. Pero el cultivo de sus células, usando un tipo especial de fermentador, puede eventualmente reemplazar la producción agrícola.

Sin embargo, cultivar las células de plantas no es tan fácil como cultivar microorganismos. El único producto que realmente ha alcanzado el mercado es un colorante rojo llamado shikonin que se obtiene de las raíces de una hierba asiática denominada "Lithospermun erythrorhizon". El shikonm se usa en los lápices labiales y además tiene algunas propiedades medicinales.

Una aplicación más útil de Ia biotecnología de plantas es la creación de copias genéticas exactas, "clones" de un individuo que tiene propiedades deseables. Los jardineros bien saben que se puede obtener una planta a partir de un esqueje. Esto es porque las células de las plantas son totipotenciales. Cualquier célula de una planta tiene el potencial genético necesario como para que a partir de ella se genere una planta entera. En los mamíferos, con más dificultad se ha conseguido lo mismo, como fue el caso de la oveja Dolly (Creces, Abril 1997, pág. 9).

Producir clones a partir de una parte de la planta constituye un proceso que se conoce como "cultivo tisular". Por lo general las células se toman del meristema, que es un tejido de rápido crecimiento que está en la punta de las raíces y brotes. Estas se esterilizan y se colocan en soluciones con nutrientes en una placa Petri, donde comienzan a multiplicarse, formando primero una masa de tejido indiferenciado, que se llama "callo".

Si de este callo se separan células y además se agregan hormonas y nutrientes, comienzan a formarse raíces y tallos, creciendo de cada grupo celular una planta. Desde allí en adelante se desarrollan en forma normal y cada una de ellas es genéticamente semejante al padre. El cultivo de tejido no requiere de equipo caro; los campesinos de Vietnam usan estas clonaciones para producir papas de alto rendimiento, provenientes del Centro Internacional de la Papa de Lima, Perú. Teóricamente el método puede multiplicar stock de plantas raras o en peligro de extinguirse. Con el mismo método, en gran escala, en Malasia se ha creado una gran cantidad de palmas de aceite.

El aceite de palma es una fuente de muchos productos, desde plásticos a jabones. Otras plantas aceiteras producidas por clonación se usan en alimentación animal o para suplir la disponibilidad de aceite de petróleo.

"La ingeniería genética", que transfiere genes de una especie a otra, ha venido a reforzar la biotecnología. En principio los genes pueden transferirse entre cualquier organismo, como por ejemplo de una bacteria a una planta o de humano a otro animal, aunque no siempre se expresan apropiadamente. Todas las técnicas para la producían y extracción de productos por fermentación, pueden usarse en conjunto con la ingeniería genética. Lo que es más importante, la ingeniería genética permite la manufactura de productos (particularmente drogas) que no se pueden obtener de otra forma. También puede utilizarse la técnica para lograr propiedades en las plantas que no existen en la naturaleza, como por ejemplo plantas resistentes al ataque de insectos.

El primer producto biotecnológico por ingeniería genética que alcanzó el mercado fue la insulina humana para el tratamiento de la diabetes. Antiguamente la insulina se extraía del páncreas de cerdos o vacunos. Estas insulinas difieren ligeramente de la versión humana, y por ello algunos enfermos de diabetes tenían reacciones alérgicas.

La insulina humana se produce transfiriendo los genes de la insulina humana a la bacteria Escherichia coli. Luego esta bacteria recombinada crece en un fermentador. La bacteria trata a los genes de la insulina transferidos como si fueran propios y de este modo la bacteria se multiplica y produce moléculas de insulina humana. Después de finalizada la fermentación estas moléculas se extraen y purifican. Los productos obtenidos por este tipo de fermentación, se denominan "proteínas recombinantes", o proteínas terapéuticas.

La hormona de crecimiento y el interferon (una proteína que se usa para el tratamiento del cáncer) se producen en la misma forma. Sin embargo, las bacterias no son capaces de producir proteínas más complejas, como es la hemoglobina o el factor 8. Estas moléculas deben doblarse correctamente en una forma tridimensional, para así adquirir su estructura que las hace funcionales. La otra limitante de las bacterias es que no pueden agregar azúcar a la proteína, proceso que sí lo realiza normalmente la célula humana (se llama glicocilación). Ello es importante para la adecuada funcionalidad de la proteína. La bacteria es muy simple y no posee la compleja maquinaria bioquímica para realizar este último proceso.

Recientemente se han estado utilizando en biotecnología, células nucleadas o eucarióticas. Con ellas se han elaborado productos como la vacuna contra la hepatitis B y hemoglobina. Para esto en lugar de bacterias se han utilizado levaduras. Pero también se comienzan a utilizar células de insectos y mamíferos. La eritropoyetina, una proteína que estimula la producción de glóbulos rojos, se ha producido utilizando cultivos de células de ovarios de hamster.

Otras veces se ha utilizado todo un organismo como biorreactor, reemplazando así el cultivo de las células y el fermentador, usando tanto ovejas como vacas a las que se han introducido genes humanos, que se expresan en proteínas contenidas en la leche de estos animales (Creces, Junio 1997, pág. 12). El proceso se ha llamado ""pharming"". El primer producto elaborado en esta forma fue la alfa1-antitripsina, que se ha estado ensayando para el tratamiento de a fibrosis quística y también el enfisema pulmonar. En la actualidad también se ha comenzado a utilizar como biorreactores a las plantas, a las que se ha introducido el gene del producto que se desea que ellas produzcan. Así se están produciendo vacunas en plantas, que pueden consumirse con la fruta, como también se han utilizado plantas para producir otras proteínas terapéuticas. Las plantas tienen varias ventajas sobre las bacterias, y una de ellas es que las plantas sí son capaces de glicocilar la proteína (Creces, Noviembre 1996, pág. 14)


Producción en masa

En realidad lo que la ingeniería genética está logrando es poder disponer de una suficiente cantidad de proteínas terapéuticas que anteriormente eran disponibles solo en muy pequeñas cantidades. Uno de los ejemplos de estas proteínas es el Interferon, una molécula normalmente producida por el sistema inmunológico en respuesta a las infecciones. En un comienzo se pensó que el Interferón podría ser la cura milagrosa tanto para el cáncer como para el resfrío común.

Los ensayos fueron desilusionantes pero, sin embargo, el interés llevó ahora a que el Interferón esté en el mercado, y que con él se estén tratando enfermos con esclerosis múltiple, una enfermedad que hasta ahora no tenía tratamiento. Otro ejemplo incluye una droga que es capaz de deshacer los coágulos sanguíneos al interior de las arterias (activador del plasminógeno tisular), lo que es muy útil después que la arteria ha sido obstruida por un coágulo produciéndose un infarto.

También es interesante el uso de anticuerpos como drogas. Estas proteínas, que normalmente produce el sistema inmune, pueden unirse a moléculas específicas en el cuerpo y bloquear así su acción, (Creces, Julio 1997, pág. 34). Este tipo de anticuerpos ahora se está desarrollando para usarlas en cirugía de trasplantes, con el objeto de neutralizar sustancias que puedan iniciar un rechazo. También se está usando para tratar el shock séptico, el cáncer y otras condiciones.

La ingeniería genética también es útil en otros campos no médicos. Así por ejemplo, se está produciendo por ingeniería genética la enzima "quimocina", que se usa para fabricar quesos. Ahora se produce por cultivo en células de levaduras a las que se ha introducido el gene de dicha enzima. Antes había que extraerla del estómago de los terneros.

También la ingeniería genética se está utilizando para producir nuevas especies de plantas y animales. A las plantas se les introduce genes y después éstas se multiplican en cultivos como los ya descritos. Por esta metodología se han logrado numerosas nuevas plantas con nuevas características que antes no poseían y que permiten una mayor producción, como también resistencia a diversas enfermedades, a plaguicidas, o que se ajustan a demandas del mercado. Se ha conseguido así transformar numerosas semillas, incluyendo aquellas tan importantes como la soya, el arroz, el trigo o el maíz.

En teoría, la ingeniería genética podría mejorar en mucho la alimentación del mundo. Muchas pérdidas de cosechas se producen por enfermedades, por el desarrollo de malezas o la destrucción por predadores. Aquí la ingeniería genética puede tener un gran impacto. Ya se han logrado plantas transgénicas a las que se les ha introducido un gene que actúa como insecticida. Este se ha obtenido del "Bacillus thuringiensis". Con ello se consigue que las plantas se protejan del ataque de insectos. También se han logrado plantas resistentes a herbicidas, coma el Roundup. Esto significa que el campesino puede rociar su plantación con el herbicida, eliminando así las hierbas sin dañar a la planta, con la que obtiene una mejor cosecha.

Muchas plantas transgénicas están ya entrando al mercado. Entre ellas el tomate transgénico y la pasta de tomate y ketchup fabricado a partir de él. Estos tomates se mantienen duros y se demoran más tiempo en madurar. Ello se logra inhibiendo genes que inducen la maduración (Creces, Septiembre 1997, pág. 9).

También se han obtenido animales transgénicos. En este caso a un huevo fertilizado se le introduce el gene deseado y luego se implanta en el útero de una madre subrogante. El animal que nace, expresa la condición que se le implantó a través del gene introducido. Así se han obtenido peces que crecen más rápido o animales con más masa magra muscular y menos grasa (Creces, Diciembre 1997, pág. 14). También los investigadores han creado cerdos con órganos humanizados, para así impedir el rechazo (Creces, Septiembre 1996, pág. 24). Estos xenotrasplantes (trasplantes de una especie a otra) se espera que solucionen el problema de la escasez de órganos humanos. A estos animales se les ha introducido el gene de una proteína llamada daf (decay acelerating factor), la que permite eludir el rechazo por parte del sistema inmune.

Además se han creado muchas cepas de animales transgénicos de laboratorio. Agregándoles determinados genes, estos animales pueden servir de modelos para estudiar enfermedades humanas, ya que en esta forma se logra producir en ellos una enfermedad igual o parecida a la que presenta el hombre. Tal es el caso por ejemplo, de la enfermedad de células falsiformes, a la enfermedad de Alzheimer. De este modo se pueden ensayar en ellos nuevas drogas pana su tratamiento, que si resultan, se pueden posteriormente usar en humanos.

En resumen, se puede afirmar que la biotecnología es un ante muy antiguo, pero que el descubrimiento de la ingeniería genética le está dando una nueva dimensión en un nuevo campo industrial, como antes no se sospechaba. Como consecuencia de ello se puede prever un gran beneficio para la salud y la nutrición del ser humano.