La producción de medicamentos en factorías vegetales

Fue en 1997. Nunca antes el nacimiento de una oveja despertó tanto interés. Sin embargo, fue un interés en diferido. La oveja Dolly nació en 1996. Pero los medios lo anunciarion siete mese después, por lo que pudiera pasar. Dolly, que hoy día yace disecada en el Museo Real de Escocia, fue el primer mamífero clonado a partir de una célula adulta.

Quizá fuera Dolly la oveja más famosa de la historia. Pero no fue la única celebridad. A Dolly le siguen Polly, Molly, Holly, Megan, Morag, Olly, Bonnie, y también Tracy. Tracy nació en 1990 y fue el primer animal doméstico transgénico de la historia. En concreto, Tracy incorporaba en su genoma el gen que codifica para la alfa1-antitripsina humana, constituyendo esta un cincuenta por ciento del contenido proteico de su leche. El déficit de antitripsina en humanos produce enfermedades pulmonares, como el enfisema congénito. Polly y Molly vinieron más tarde, nacieron en 1997, y fueron las primeras ovejas clonadas y transgénicas a la vez –un poco de Tracy, un poco de Dolly–. Estas dos ovejas incorporaban la información para sintetizar el Factor IX humano en su leche, proteína clave en la coagulación de la sangre y cuyo déficit provoca la hemofilia B. Tanto la hemofilia B como el enfisema se tratan a partir de las proteínas deficientes extraídas de plasma humano, con el riesgo de infección asociado a la fuente, y es así como la leche de Tracy, y también la de Polly y Molly, se antojaba como una fuente económica, segura y simple de obtención de estos compuestos de valor farmacológico.

Estas ovejas, sin embargo, no son los únicos organismos utilizados para la producción de compuestos de interés sanitario o industrial. Las técnicas de ingeniería genética permiten introducir genes en ciertos organismos que sabemos manipular. Y esta posibilidad a su vez permite utilizar facilidades o ventajas que hipotéticamente tendrían ciertas especies para producir compuestos. Así se aprovecha el rápido crecimiento o el fácil confinamiento de levaduras y bacterias, la gran estabilidad de las plantas, o la cercanía de los cultivos de células animales. Hoy día utilizando estos sistemas heterólogos, recombinantes o transgénicos, muchas veces controlados en grandes fermentadores, se producen hormonas, factores de crecimiento, vacunas, cosméticos, probióticos, enzimas de detergentes o incluso la quimosina del cuajo del queso.

Los microorganismos son los reyes de la producción de compuestos en esta suerte de biotecnología industrial, por su bajo coste y la rapidez de crecimiento. Pero las plantas cada vez cobran más importancia, sobre todo para productos farmacológicos que en ocasiones necesitan de modificaciones que solo son capaces de realizar organismos “superiores”, como los animales y las plantas. Además, estas están lo suficientemente alejadas de los seres humanos como para minimizarse el riesgo de contaminaciones. Así es como en los últimos años han surgido varios conceptos relacionados con la utilización de organismos vegetales como fábricas de compuestos de interés. Se habla de molecular farming (“agricultura molecular”), como la modificación de rutas preexistentes o la introducción de procesos nuevos para la obtención de compuestos de interés, y de molecular pharming (“farmacoagricultura molecular”), ejemplo de ello es la obtención de compuestos de interés farmacéutico. Este es un campo novedoso y de progresiva importancia desde que en 2012 se aprobara el primer medicamento para uso humano fabricado por una planta transgénica. Se trata del Elelyso, producido por la empresa israelí Protalix Biotherapeutics. Consiste en una formulación de glucocerebrosidasa obtenida de zanahorias genéticamente modificadas y utilizada para tratar los síntomas de la enfermedad de Gaucher.


Realmente las proteínas de seda de araña se acumulan en la leche. Crédito: Modern Farmer Media.

El extraño caso de la patata –y la cabra– arácnida
El científico alemán Udo Conrad lleva veinte años obsesionado con las arañas. Tanto es así que en su grupo de genética de plantas en Gatersleben han desarrollado patatas y tabacos transgénicos capaces de producir los dos principales compuestos de la tela de araña, las espidroínas 1 y 2. Tras la extracción y multimerización de estos compuestos, el grupo de Conrad es capaz de fabricar seda. Esta aproximación extravagante para la producción en masa de un compuesto con interesantes y potenciales aplicaciones en ingeniería biomédica no es, sin embargo, el único. En la Universidad de Utah, el genetista Randy Lewis ha desarrollado cabras que producen esas proteínas en su leche. Tras el ordeñe, basta con separar los glóbulos de grasa de la proteína, e hilarla en seda.

No te cortes el pelo, hippie

La transformación genética de organismos vegetales normalmente se realiza a partir de la infección con bacterias que, de manera natural, transfieren genes a la planta para convertirla en su cocinero particular. Tras la infección, la planta, que crece descontroladamente formando masas neoplásicas a la manera de los tumores animales, trabaja ininterrumpidamente para producir alimentos únicamente aprovechables por la bacteria. Entre estas bacterias capaces de alterar el comportamiento vegetal mediante su transformación genética destacan Agrobacterium tumefaciens, responsable de la agalla de la corona, y Agrobacterium rhizogenes, cuya infección provoca la formación de hairy roots, raíces pilosas o peludas.

En la investigación vegetal se utilizan estas bacterias para la obtención de plantas transgénicas. Para ello se quitan algunos genes de virulencia y se sustituyen por genes de interés científico o industrial. Este es el caso de los cultivos BT, resistentes a plagas. Las bacterias de Agrobacterium utilizadas para producir estos cultivos portan genes que codifican toxinas para insectos, en sustitución de los genes que producen el crecimiento neoplásico. Sin embargo, una de las aplicaciones que tienen estas bacterias es la de mantener los genes “tumorales” y añadir genes que permitan la síntesis de productos de interés. De esta forma, se producen masas informes de raíces de crecimiento rápido y alta estabilidad, mantenidas en fermentadores, que producen en masa los compuestos de interés, secretándolos al medio. Tras el cultivo, se recoge el medio y se extrae el producto.


Puesta a punto de un sistema de raíces pilosas desde un explanto inicial de Astragalus membranaceus. Modificado de Plant Cell, Tissue and Organ Culture (2014), 120: 1117-1130.

Este sistema de producción se ha aplicado desde el comienzo a la obtención de fármacos. En concreto, el mayor esfuerzo, liderado por un grupo de investigación finés que encabeza la doctora Oksman Caldentey, ha estado en la obtención de alcaloides tropanos, y en este caso de la hiosciamina y la escopolamina, popularmente conocida como burundanga, de mayor actividad fisiológica y menores efectos secundarios. Estos fármacos se utilizan como agentes anticolinérgicos por su acción sobre el sistema nervioso parasimpático. Su uso más común es el de prevenir mareos provocados por los viajes, reducir la salivación antes de una cirugía, minimizar los estados espasmódicos durante el párkinson, y producir la dilatación de las pupilas en cirugías oculares. Aunque estos alcaloides normalmente se han obtenido de plantas enteras de estramonio o mandrágora, se han ido introduciendo cultivos de raíces pilosas de tabaco o de hierba loca, en los que se aumenta en gran medida la producción y la facilidad de la purificación, al ser estas sustancias liberadas al medio de cultivo.

Un tentempié antigénico

Normalmente las vacunas se producen en cultivos de tejidos y células animales o en bacterias. Así, por ejemplo, la vacuna de la gripe se fabrica cada año utilizando huevos de gallinas, o la de la hepatitis B en cultivos de células humanas. El proceso de fabricación consiste en la generación del antígeno, en su purificación y finalmente en su formulación. Además de la producción en estos cultivos, hoy día se está trabajando en la producción de vacunas en plantas, también denominadas “vacunas verdes”, lo que conllevaría una serie de ventajas con respecto a otras formas de producción anteriormente mencionadas: beneficios económicos por su fácil y barato cultivo, y técnicos por permitir modificaciones parecidas a las animales que no permiten muchos microorganismos, así como una minimización de los riesgos asociados a la contaminación cruzada (las plantas no son hospedadores naturales de patógenos que puedan infectar a los seres humanos). De manera adicional, es posible el almacenamiento estable de los antígenos dentro de la propia planta.

Esta noción de almacenamiento estable llevó al científico estadounidense Charles Arntzen a imaginar la posibilidad de desarrollar frutas y hortalizas que portaran dentro los antígenos que permitieran inmunizar a los comensales frente a diferentes patógenos. En 1994, Arntzen introdujo un antígeno del virus de la hepatitis B en tabaco, capaz de activar la respuesta inmune en humanos.

Pero el verdadero comienzo de las vacunas comestibles se produjo en 1998 con el desarrollo de cuatro variedades transgénicas de patata que indujeron inmunización en ratones o conejos frente a enteritis causada por Escherichia coli LT-B, infección gastrointesitinal por el virus de Norwalk, cólera por la bacteria Vibrio cholerae y hemorragia por el virus RHDV.

La vacuna contra la enfermedad producida por el virus de Norwalk, obtenida en el laboratorio del propio Arntzen, ha sido una de las pocas llevadas a estadio de ensayo clínico con humanos. En este ensayo en fase I, en el que se alimentó con la patata transgénica a veinte voluntarios, diecinueve de ellos desarrollaron algún tipo de respuesta inmune.

También se probó la inmunogenicidad de una vacuna comestible en diez de dieciséis voluntarios alimentados con patatas acumuladoras de un antígeno de la hepatitis B. Pronto, sin embargo, se dejó de investigar en patata debido a que su cocción puede destruir la mayoría de los antígenos. Es por ello que se está trasladando esta tecnología a tomate, maíz, zanahoria, quinoa, manzana o cacahuete, frutas y hortalizas, que pueden consumirse en crudo, aunque ningún ensayo clínico en humanos ha pasado más allá de la primera fase.

La última moda de las vacunas comestibles está, sin embargo, en las algas, y en concreto en la alga verde modelo Chlamydomonas reinhardtii, que se puede consumir en crudo, no tiene limitaciones en términos de hábitat y presenta un ratio de crecimiento muy rápido. Como las plantas, tampoco tiene problemas de contaminaciones cruzadas, y además puede ser mantenida en grandes fermentadores. Más importante aún, ensayos preclínicos han mostrado que su efectividad como inmunizador no se ve afectada por la liofilización, lo que facilita su distribución y conservación.


Las algas constituyen un prometedor alimento para desarrollar vacunas comestibles.

Semillas melosas

Las semillas, más que cualquier otro órgano de las plantas, constituyen un ambiente ideal para almacenar productos de interés debido a la gran cantidad de proteínas que acumulan y su alto ratio de síntesis, necesario para el posterior proceso de la germinación. Además proporcionan una acumulación estable a largo plazo en un volumen pequeño. Por ejemplo, un estudio en cereales del año 2000, liderado por un grupo alemán, identificó que un anticuerpo contra el antígeno carcinoembriónico (asociado a tumores) producido en semillas de arroz y trigo mantenía su total actividad durante al menos cinco meses de almacenamiento. Así, en los últimos años, se ha conseguido almacenar en semillas proteínas como anticuerpos, hormonas, factores de crecimiento y varias enzimas.

Quizá el caso más curioso lo constituye el de la técnica de fusión a la oleosina. La oleosina es una proteína estructural que se encuentra en los cuerpos lipídicos, bolsas de grasa rodeadas por una membrana de proteínas, entre las que se encuentra la oleosina, que se acumula en las semillas oleaginosas como reservas de energía para el proceso de la germinación. La oleosina se fusiona a la proteína de interés y se acumula muy eficientemente como parte de la fracción de lípidos de la semilla. Además, esta estrategia facilita la purificación del compuesto, ya que los cuerpos de grasa son fácilmente separables del resto de componentes con una sencilla centrifugación, y con un corte mediado con una proteasa (tijeras moleculares) y una posterior cromatografía es posible separar la proteína del cuerpo lipídico.

Cuadro de texto: La auténtica insulina
 


Ser diabético, en el pasado, era sinónimo de una reducida esperanza de vida. Sin embargo, a partir de 1922, esto comenzó a cambiar. En esta fecha se administró por primera vez insulina a un enfermo de diabetes. La insulina, por supuesto, no era humana. Al comienzo se trataba con extracto de hígado de animales domésticos, y, más tarde, se consiguió extraer, normalmente de vacas y cerdos, y, aunque el efecto era similar, en ocasiones se producían reacciones alérgicas. En 1978 se consiguió producir insulina humana a partir de cultivos bacterianos transgénicos, en concreto de Escherichia coli, habitante del tracto gastrointesitinal, cuyo producto final fue denominado como Humulina, y más tarde en Saccharomyces cerevisiae, la levadura del pan. Esta insulina, denominada recombinante porque se expresan genes humanos en la bacteria para producirla, se generalizó en los 80 y es la misma, en sus distintas variantes, que consumen hoy día los diabéticos.

Insulina recombinante bajo el término de Humulina expuesta en el Museo Nacional de Historia Americana. Crédito: Smithsonian Institution.

La auténtica insulina
Ser diabético, en el pasado, era sinónimo de una reducida esperanza de vida. Sin embargo, a partir de 1922, esto comenzó a cambiar. En esta fecha se administró por primera vez insulina a un enfermo de diabetes. La insulina, por supuesto, no era humana. Al comienzo se trataba con extracto de hígado de animales domésticos, y, más tarde, se consiguió extraer, normalmente de vacas y cerdos, y, aunque el efecto era similar, en ocasiones se producían reacciones alérgicas. En 1978 se consiguió producir insulina humana a partir de cultivos bacterianos transgénicos, en concreto de Escherichia coli, habitante del tracto gastrointesitinal, cuyo producto final fue denominado como Humulina, y más tarde en Saccharomyces cerevisiae, la levadura del pan. Esta insulina, denominada recombinante porque se expresan genes humanos en la bacteria para producirla, se generalizó en los 80 y es la misma, en sus distintas variantes, que consumen hoy día los diabéticos.

Esta técnica ha sido utilizada con la hialuronidasa humana, con el factor de crecimiento fibroblástico y, quizá el caso más paradigmático, la insulina. En 2006 una pequeña empresa canadiense de base biotecnológica, SemBioSys Genetics, desarrolló esta técnica en Arabidopsis thaliana, planta modelo relacionada con la colza, y consiguió producir el precursor de la insulina, que tras su procesamiento in vitro se convierte en la forma “insulina DesB30”, biológicamete activa. En 2007 la empresa introdujo esta tecnología en el cártamo, otra especie oleaginosa que acumula gran cantidad de lípidos en su semilla, consiguiendo una acumulación de insulina del 1,2% de la proteína total de semilla. Según los cálculos de la empresa, 6500 hectáreas de cártamo transgénico satisfarían la demanda mundial de insulina. Sin embargo, aunque la insulina obtenida de este cártamo transgénico llegó a las fases I y II de ensayos clínicos de manera satisfactoria, la empresa puso fin a sus actividades por falta de financiación tras un fracasado acuerdo de colaboración con la farmacéutica china Tasly Pharmaceuticals.


Plantas de cártamo. Sus semillas ricas en aceites la convierten en una opción perfecta para la producción de insulina.

Planticuerpos contra el ébola

En el año 2014 el mundo se estremecía asustado por el brote de ébola en África Occidental. Se originó en Guinea  y posteriormente se extendió a Liberia, Sierra Leona, Nigeria, Senegal, Estados Unidos, España, Malí y Reino Unido. En España se produjo un contagio. En el mundo 28.646 personas se infectaron, de las cuales murieron 11.323. En plena crisis sanitaria, Estados Unidos autorizó el uso compasivo de un fámaco no autorizado, ZMAPP, desarrollado por Mapp Biopharmaceutical, en dos enfermos repatriados, que se recuperaron de la enfermedad. Previamente, en ensayos preclínicos los investigadores de la empresa habían demostrado una alta efectividad del fármaco, consistente en un cóctel de anticuerpos monoclonales, en macacos. Aunque primeramente estos anticuerpos se obtenían de ratones infectados por ébola, más tarde decidieron producirlos en tabaco, que reduce el coste y el tiempo de producción, además de ser un sistema que permite una gran acumulación de proteína. Los anticuerpos del ZMAPP crecieron en la crisis sanitaria en tabacos de la tabaquera Reynolds American, propietaria de marcas como Camel, Pall Mall o Winston. Quién sabe si la vacuna del COVID-19 pasa por las plantas. De momento, según el periódico estadounidense Politico, la gigante tabaquera ya se ha puesto en contacto con el departamento de salud de la administración Trump. Parece que a la industria tabaquera le queda reinventarse o morir. Texto Gerardo Carrera Castaño


Hojas de tabaco expresando proteínas recombinantes de otro organismo, en este caso de Prunella vulgaris. Modificado de New Phytologist (2019), 223(1): 323-335.

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