Por Diana López
Curadora Colección de Tejidos y Coordinadora Laboratorio de Biología Molecular
Instituto de Investigación de Recursos Biológicos "Alexander von Humboldt"
dclopez@humboldt.org.co
Si lo que queremos es emplear la biodiversidad existente para desarrollar procesos biotecnológicos, necesitamos en primer lugar saber que tenemos en biodiversidad, ¿pero como saber que tenemos si muchas veces no la conocemos? Los científicos conocen mejor cuántas estrellas hay en la vía láctea que especies, ecosistemas y genes en la Tierra. Hay cerca de 200 billones de estrellas [1], pero no sabemos con exactitud la riqueza de especies, reflejando lo impreciso de nuestro conocimiento, ya que se estima que existen entre 5 y casi 100 millones de especies [2], de las cuales solo se han descrito 1.257.735 [3]. Conviene anotar que por especie descrita, nos referimos a especies de las cuales se han descubierto ejemplares, recogido muestras, depositado en un museo, identificado como especies nuevas, y por último, asignado un nombre científico a través de una publicación científica. Por lo tanto, para alcanzar el conocimiento real de lo que tenemos a la velocidad de los descubrimientos actuales de 50 especies por día, y considerando 12.5 millones de especies como estimación conservadora, nos tomaría 685 años aproximadamente hallarlas. Esto nos conlleva a citar al biólogo Edward O. Wilson que escribió en 1993: "La biodiversidad es una de las riquezas más grandes del planeta, y no obstante la menos reconocida como tal..." [4].
Esta situación se hace más evidente en el caso de estudiar los insectos; en 1982, Terry Erwin, entomólogo del Instituto Smithsonian de los Estados Unidos, calculó el número de especies de insectos coleópteros que existirían en los trópicos, en 30 millones de especies [5]. Otro ejemplo son los microorganismos, en el caso de las bacterias, se han clasificado unas 4000 especies [6], sin embargo podría haber millones de nuevas especies por descubrir, en proporción asombrosa de hasta 10.000 especies desconocidas por cada especie descrita. Una estimación en 1990, estableció un número de 4.000 especies bacterianas por gramo de suelo como una medida limitante, ya que puede llegar a alcanzar intervalos entre 10.000 y 50.000 especies [7].
Por lo tanto tenemos todo un universo por explorar, una mina de oro verde para explotar, pero necesitamos de tecnologías que nos acorten el camino hacia el descubrimiento de la biodiversidad. El conocimiento de ésta podría ser muy útil para el avance de la ciencia y a su vez permitiría que países emergentes (usualmente ricos en biodiversidad) se vean compensados de un modo justo por su conservación y disponibilidad al servicio de la humanidad. Así por ejemplo, muchos de los medicamentos que usamos hoy en día proceden, directa o indirectamente, de fuentes biológicas; sin embargo se calcula que sólo se ha explorado el 1% de las plantas silvícolas como fuente potencial de fármacos [8]. Por otra parte tenemos los microorganismos que también juegan un papel importante en la industria alimenticia, y es a raíz de esta variedad de usos producidas por todos estos organismos que se da lugar a conceptos como: Biotecnología, Biotecnología Blanca, Roja, Azul y Verde, pero ¿qué es realmente la biotecnología? y ¿qué significan estos colores? En primer lugar, Biotecnología según el Convenio sobre Diversidad Biológica de 1992, podría definirse como "toda aplicación tecnológica que utilice sistemas biológicos y organismos vivos o sus derivados para la creación o modificación de productos o procesos para usos específicos" [9]. Esta disciplina surge desde hace miles de años cuando se observó que de la fermentación del jugo de uva puede obtenerse un vino, que la leche podía convertirse en yogurt, y que era posible hacer cerveza fermentando soluciones de malta y lúpulo [10]. Pero es en los años 70, con el descubrimiento de la restrictasa (enzima capaz de reconocer y cortar el ADN en secuencias específicas) por Hamilton Smith y Daniel Nathans (1970) que nace en sí la biotecnología moderna [11].
Posteriormente tenemos los colores de la biotecnología que se definen en función del mercado al que se dirigen, donde la biotecnología blanca hace referencia a las aplicaciones en la industria empleando herramientas de la naturaleza relacionadas con la industria química, los procesos industriales de procesamiento de materias primas, la generación de tejidos biológicos, la generación de combustibles (biocombustibles), la biodetergencia y la bioremediación [12]. Por su parte la biotecnología roja, comprende distintos ámbitos como el terapéutico, diagnóstico, salud animal e investigación biomédica, incluyendo el desarrollo de alimentos funcionales y nutracéuticos (un alimento o parte de un alimento que proporciona beneficios médicos o para la salud, incluyendo la prevención y/o el tratamiento de enfermedades [13]), y es quizás este tipo la que causará un mayor impacto en nuestra manera de vivir [14]. La verde, es la que involucra el campo (sectores agrícola, ganadero y forestal), pero también es conocida porque incluye los cultivos transgénicos (OMG, sigla en español para organismos modificados genéticamente); engloba la aplicabilidad al control de plagas (biocontrol), a la mejora de la calidad de la tierra (biofertilización) y la industria [15]. Y finalmente tenemos la Biotecnología Azul, que se ocupa de los nuevos productos que pueden obtenerse mediante la explotación de biodiversidad marina y la acuicultura [16].
¿Cuáles son esas tecnologías que pueden acercarnos más rápidamente al conocimiento de la biodiversidad?
Antes de entrar a las tecnologías en sí, necesitamos conocer el insumo que emplearan dichas tecnologías para lograr los objetivos que buscamos. Así pues, el ADN, la estructura de doble hélice descrita por James Watson y Francis Crick en 1953, de dos largas cadenas de nucleótidos con polaridad opuesta, unidas entre sí, es nuestra materia prima. Cada nucleótido está formado por un azúcar: la desoxirribosa, una base nitrogenada que puede ser de cuatro tipos diferentes: adenina (A), guanina (G), citosina (C) y timina (T) y un grupo fosfato. Estas bases nitrogenadas serán las letras de nuestro libro de la vida y las que nos darán elementos que nos ayuden a determinar una especie (complementadas con estudios fisiológicos, anatómicos, ecológicos entre otros) u otra por medio de técnicas como la secuenciación. Recientemente, las técnicas de secuenciación (determinación del orden de bases nitrogenadas) se han revolucionado con metodologías como la pirosecuenciación, la cual es aplicable a genomas completos [17], y es basada en la monitorización en tiempo real de la síntesis de ADN usando luminiscencia. La pirosecuenciación se conoce desde hace algunos años, pero gracias al impulso dado al desarrollo de nuevas tecnologías más eficientes y baratas, se han conseguido una serie de mejoras que han hecho posible la aplicación de esta técnica para la secuenciación a escala genómica y con bajo costo, constituyendo así, lo que hoy en día se conoce como secuenciación de nueva generación [18].
Así hoy en día nos encontramos en una época donde la secuenciación del ADN es lo suficientemente barata, y leer los códigos genéticos se está convirtiendo en un proceso rutinario, lo que nos acerca a un conocimiento más amplio de la biodiversidad, Y nos deja a un paso hacia el descubrimiento de una enorme riqueza biológica que potencialmente permitirá crear nuevas medicinas, plantas de cultivo, productos farmacéuticos, fibras, pulpa, vegetación restauradora del suelo, sustitutos del petróleo y otros productos todavía no desarrollados. Esto nos lleva a evaluar la estimación del valor de la biodiversidad, desde un valor de uso (directo como el turismo o indirecto como la polinización) a un valor intrínseco, donde la mayoría de las especies deberán ser evaluadas aún por la importancia económica actual y futura. Sin embargo, debemos ser conscientes de que aún nos falta mucho para aprender a valorar, no sólo lo económico, si no más aún el papel ecológico de la biodiversidad y ese valor o precio no lo podemos ni siquiera imaginar.
Así hoy en día nos encontramos en una época donde la secuenciación del ADN es lo suficientemente barata, y leer los códigos genéticos se está convirtiendo en un proceso rutinario, lo que nos acerca a un conocimiento más amplio de la biodiversidad, Y nos deja a un paso hacia el descubrimiento de una enorme riqueza biológica que potencialmente permitirá crear nuevas medicinas, plantas de cultivo, productos farmacéuticos, fibras, pulpa, vegetación restauradora del suelo, sustitutos del petróleo y otros productos todavía no desarrollados. Esto nos lleva a evaluar la estimación del valor de la biodiversidad, desde un valor de uso (directo como el turismo o indirecto como la polinización) a un valor intrínseco, donde la mayoría de las especies deberán ser evaluadas aún por la importancia económica actual y futura. Sin embargo, debemos ser conscientes de que aún nos falta mucho para aprender a valorar, no sólo lo económico, si no más aún el papel ecológico de la biodiversidad y ese valor o precio no lo podemos ni siquiera imaginar.
Un ejemplo: Estudiando la comunidad microbiana como insumo para la biotecnología
Stephen Jay Gould dijo “En la Tierra no vivimos en la Era del Hombre o de los humanos, vivimos hoy, y siempre, en la Era de la Bacterias” [19]. Las bacterias (Reino Procariota) son, y siempre han sido, la forma de vida predominante en la Tierra [20].
Durante muchos años, las comunidades bacterianas se han descrito mediante técnicas tradicionales de cultivo en el laboratorio. No es fácil, sin embargo, obtener cultivos representativos del número y la diversidad de las bacterias en las muestras originales [21]. Hoy contamos con múltiples técnicas procedentes de diversas disciplinas científicas (desde la Biología Molecular hasta la Genómica y la Bioinformática), para el estudio de la diversidad microbiana, no sólo por su papel en el conocimiento de la función, estructura y evolución de las poblaciones que componen una comunidad, sino como una fuente importante de investigación médica, industrial y biotecnológica. De este tipo de estudios surgió la metagenómica, que se basa en el estudio de ADN genómico obtenido de microorganismos sin cultivar. Gracias a esta nueva disciplina, en el año 2004, el científico Craig Venter y colaboradores, secuenciaron más de un millón de fragmentos de ADN a partir de una muestra del bacterioplancton, detectando más de 1800 especies o filotipos (secuencias distintas del gen 16S rRNA) [22]. Posteriormente, el proyecto de Muestreo Global del Oceano liderado también por Venter, ha llevado a cabo la secuenciación masiva de 7,7 millones de genes de genomas bacterianos, procedentes de 41 muestras de diversos ambientes acuáticos [23].
Diferentes nichos microbianos, y particularmente los nichos edáficos (relativo al suelo), han sido la fuente de moléculas con aplicaciones terapéuticas como: compuestos antimicrobianos, anticancerígenos, antidepresores, así como la fuente de moléculas y organismos cultivables con aplicaciones industriales en diversos campos [24]. La metagenómica representa una oportunidad para dilucidar más ampliamente el potencial biotecnológico inmerso en dichas comunidades, convirtiéndose en una herramienta útil para acceder a la elevada biodiversidad de las muestras ambientales. La información que proporcionen las librerías metagenómicas enriquecerá el conocimiento y, por tanto, las aplicaciones prácticas en campos como la industria, la investigación terapéutica o la sostenibilidad del medio ambiente.
Por lo tanto mientras más rápido avancemos en el camino del conocimiento de la biodiversidad, más rápido estaremos en el camino de su empleo en nuestro diario vivir y será gracias a las tecnologías disponibles en la actualidad que este camino se acortará.
Referencias
[1] http://legacy.spitzer.caltech.edu/espanol/edu/ask/galaxies.html
[2] http://news.mongabay.com/2008/0527-species.html
[3] www.catalogueoflife.org/col/
[4] Wilson, Edward. 1993. The Diversity of Life. New York: W.W. Norton. 424p.
[5] Erwin, T.I. 1982. Tropical forest: their richness in Coleoptera and other arthropod species. Colept Bull 36: 74-75
[6] http://www.biotech.bioetica.org/clase3-8.htm
[7] http://www.revistadelibros.com/articulo_completo.php?art=4336
[8] http://www.inwent.org/E+Z/zeitschr/ds401-3.htm
[9] http://www.cbd.int/
[10] www.argentina.ar/advf/.../48bbfc44c7e216.55863804.pdf
[11] Smith, John E. 2006. Biotecnología. España. Editorial Acribia, S. A. 267p.
[12] http://www.biocat.cat/es/biotecnologia-blanca-o-industrial-para-obtener-energia
[13] http://www.nutraceuticamedica.org/definicion.htm
[14] http://www.biocat.cat/es/biotecnologia-roja-o-sanitaria-biotecnologia-para-curar
[15] http://www.biocat.cat/es/biotecnologia-verde-o-agroalimentaria-para-alimentar
[16] http://www.canariasbioregion.org/?mod=Areas&titulo=Biotecnologia-Azul&cat=39
[17] http://www.ncbi.nlm.nih.gov/bookshelf/br.fcgi?book=cooper&part=A448#A461
[18] http://www.medmol.es/tecnicas/85/
[19] Gould. S.J. 1997. La grandeza de la vida. La expansión de la excelencia de Platón a Darwin. Barcelona: Crítica. Capítulo 14, p. 178-229. (Traducción castellana de Oriol Canals de: Full House. The Spread of Ex-cellence from Plato to Darwin. New York: Harmony, 1996).
[20] http://www.scielo.org.ar/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0025-76802005000400018
[21] González, J. M., Pedrós-Alió, C & Gasol, Josep. 2008. Plancton bacteriano de los océanos. INVESTIGACION Y CIENCIA, Diciembre.
[22] Venter JC, Remington K, Heidelberg JF, Halpern AL, Rusch D, Eisen JA, Wu D, Paulsen I, Nelson KE, Nelson W, Fouts DE, Levy S, Knap AH, Lomas MW, Nealson K, White O, Peterson J, Hoffman J, Parsons R, Baden-Tillson H, Pfannkoch C, Rogers YH & Smith HO. 2004. Environmental genome shotgun sequencing of the Sargasso Sea. Science 304:66-74.
[23] Rusch DB, Halpern AL, Sutton G, Heidelberg KB, Williamson S, Yooseph S, Wu D, Eisen JA, Hoffman JM, Remington K, Beeson K, Tran B, Smith H, Baden-Tillson H, Stewart C, Thorpe J, Freeman J, Andrews-Pfannkoch C, Venter JE, Li K, Kravitz S,Heidelberg JF, Utterback T, Rogers YH, Falcón LI, Souza V, Bonilla-Rosso G, Eguiarte LE, Karl DM, Sathyendranath S, Platt T,Bermingham E, Gallardo V, Tamayo-Castillo G, Ferrari MR, Strausberg RL, Nealson K, Friedman R, Frazier M & Venter JC. 2007. The Sorcerer II Global Ocean Sampling expedition: northwest Atlantic through eastern tropical Pacific. PLoS Biol 5(3):e77.
[24] Roesch, LFW, Fulthorpe, R. R., Riva, A., Casella, G., Hadwin, K. M., Kent, A. D., Daroub, S. H., Camargo, F. A. O., Farmerie W. G., Triplett, E. W. 2007. Pyrosequencing enumerates and contrasts soil microbial diversity. The ISME Journal 1: 283-290.
Category:
biotecnología,
comunidad microbiana,
metagenómica,
secuenciación
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