Ingeniería de proteínas

Cocinando mutantes: la mejor impresora 3D.

Desde la publicación de la estructura en doble hélice del DNA hecha por los ganadores del Premio Nobel James Watson y Francis Crick a partir de las imágenes por difracción de rayos X obtenida por Rosalind Franklin, la Ingeniería Genética empieza a ser una realidad y la ciencia ficción se convierte paulatinamente en el presente.

La Ingeniería Genética plantea una serie de posibilidades a través de la manipulación del material genético del que se dispone. Basta con tener conocimiento de la arquitectura de una proteína para obtener las instrucciones de impresión mediante el empleo de la maquinaria celular, y para ello es necesaria la presencia de ribosomas que traduzcan el RNA mensajero (mRNA) en aminoácidos. El mRNA sirve como un libro de instrucciones lineal que indica el orden de aminoácidos correspondientes para obtener el resultado final.

Si manipulamos el DNA de un organismo determinado, obtendríamos un mRNA correspondiente a dicho DNA y por tanto, el ribosoma será capaz de sintetizar lo que sea que le ordenemos. Entre las proteínas existen unas de especial interés biotecnológico que son las enzimas: proteínas con poder catalítico que actúan como micromáquinas biológicas que desempeñan una determinada función como puede ser eliminar una célula cancerígena o eliminar los restos de grasa de la ropa.

Figura 3-Obtención del plásmido

Al organismo al que podamos alterar su material genético le llamaremos mutante y los mutantes a los que me refiero van desde bacterias modificadas, hasta organismos enteros vivos (como aquellos cerdos fluorescentes) con el matiz de que cada especie mutante tendrá unos requerimientos biológicos específicos para obtener el producto final. Empezaré describiendo de manera somera el mecanismo para elaborar micromáquinas biológicas (así me gusta definir a las enzimas) y sus diversas aplicaciones.

Nosotros trabajamos primero con la bacteria Escherichia coli debido a su facilidad en el cultivo en laboratorio; requiere pocos materiales para crecer (medio de cultivo barato) y que aporten todos los nutrientes necesarios para su supervivencia y multiplicación. Esta bacteria es la más ampliamente conocida y utilizada en Biotecnología en todo el mundo y por ello existen muchísimas variantes (cepas) y según su material genético (código fuente) se escogerá una cepa determinada u otra, también dependerá de las micromáquinas biológicas que queramos “imprimir”.

Pongamos el ejemplo de la impresión 3D de una proteína tóxica capaz de matar cualquier ser vivo ya que corta todos los ribosomas conocidos sin excepción: estoy hablando de la α-sarcina. Esta proteína la sintetiza el hongo filamentoso Aspergillus giganteus para eliminar otros organismos que compitan por el nicho. Esta proteína es equivalente a la ricina que utiliza Walter White en la famosa serie Breaking Bad y nosotros fabricamos en el laboratorio versiones más letales y estables. Nuestro objetivo es unir estas proteínas tóxicas con anticuerpos, de tal manera que podamos utilizarlas como balas mágicas para matar única y exclusivamente las células cancerígenas. Esto se conoce como inmunoterapia y ha valido varios Premios Nobel en los campos de la Fisiología y Química.

Elijo este ejemplo porque únicamente requiere de un tipo de organismo (procariota) para obtener el proceso completo; del mismo modo, hay que considerar que para construir la parte inmunológica de la inmunotoxina hace falta otro sistema (eucariota) que se encargue de sintetizar la proteína completa debido a que las bacterias no son capaces de modificar las cadenas laterales de los aminoácidos como lo hacemos los organismos eucariotas (modificaciones postraduccionales).

El primer paso para producir estas micromáquinas biológicas es escoger el organismo en el que programaremos el código. Conociendo la composición y secuencia de las proteínas que queremos sintetizar, le ordenaremos a un organismo que las produzca según una serie de instrucciones “escritas” y almacenadas en su DNA. Dado que las proteínas se construyen según una secuencia de aminoácidos específica, y que cada grupo consistente en tres nucleótidos codifica para un aminoácido determinado; el orden de cada base en un triplete determinará el aminoácido que se incorporará en la cadena. Por ejemplo, el triplete ATG (adenina, timina, guanina) hará que el ribosoma incorpore el aminoácido metionina. Por el contrario, si es GTA, el ribosoma incorporará valina. El orden de los factores alterará el producto y esto es de suma importancia en el momento del diseño de mutantes.

En la base de datos Protein del NCBI (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/protein/?term=alpha+sarcin) se puede encontrar la secuencia de todas las proteínas descritas hasta el momento, incluyendo la α-sarcina. Es el equivalente al código fuente de un programa. Una vez obtenido el código de las bases del DNA, habrá que construir el “libro de instrucciones” también conocido como plásmido. Este plásmido es un fragmento de DNA circular (nuestros cromosomas tienen DNA lineal) que tendrá varias regiones. Dichas regiones son el péptido señal, el promotor, la zona que codifica para la proteína, una región que codifica para la resistencia a antibióticos, etc.

Nosotros vamos a insertar un fragmento de DNA lineal que tiene el código de la proteína dentro de dicho plásmido para que la bacteria lo introduzca en su organismo (denominado proceso de transformación) y procese. Para ello, solicitamos en una empresa que nos sinteticen los extremos (primers u oligonucleótidos) de este DNA codificante que contendrá la modificación, en el laboratorio crearemos muchísimas copias de estos trozos mediante PCR (Reacción en Cadena de la Polimerasa), el plásmido donde se integrará este DNA se cortará en las zonas donde debería ir el fragmento codificante y se sustituye por los fragmentos lineales amplificados mediante una reacción que se llama ligación. De esta manera, el plásmido final tendrá la nueva versión de la proteína.

El siguiente paso consiste en obtener muchas copias del plásmido mediante clonación, para ello es necesario insertar este plásmido en E.coli y cultivarlo para obtener muchas copias. Para garantizar que las bacterias que crecen en el medio son las que tienen el plásmido de la proteína mutante, se añade el antibiótico al medio donde crecerán. Las bacterias que no tengan el plásmido que deseemos clonar, no sobrevivirán a la acción del antibiótico y las que tienen el plásmido mutante sí porque poseen la región que codifica para su resistencia, en este caso el plásmido tiene la región codificante para la resistencia a la Amplicilina (ApR).

Finalmente, se extrae el plásmido de estas bacterias y se insertará dentro de otra cepa bacteriana que esté optimizada para la producción masiva de proteínas. Se seleccionarán las bacterias que más produzcan la proteína y se cultivan en masa. Finalmente, se procede a la purificación de la proteína. El separar la proteína del resto de productos metabólicos y de la estructura bacteriana es lo más difícil, caro y problemático de este proceso.

Dado que las enzimas son micromáquinas biológicas capaces de desempeñar infinitas funciones, se han encontrado numerosas aplicaciones que abaratan muchísimo los costes que podrían suponer el aislar estos compuestos desde los organismos vivos de origen.

Actualmente, muchos detergentes para la ropa contienen enzimas obtenidas mediante Ingeniería Genética, la insulina de uso en clínica se obtiene también por esta tecnología. El taxol es un producto muy valioso y ampliamente utilizado para el tratamiento del cáncer: originalmente producido por el árbol Taxus baccata (Tejo), el obtener de manera convencional este compuesto tan valioso supondría el talar árboles que tardarían cincuenta años en alcanzar su madurez; condenando a esta especie a su extinción, al encarecimiento de los medicamentos y por consiguiente, la inaccesibilidad del mismo a los pacientes. Mediante Ingeniería Genética se optimizan organismos para la producción del taxol, aumentando drásticamente su producción y los costes descienden drásticamente.

Podemos concluir que esta técnica ha supuesto un aumento significativo en la calidad de vida, posee infinitas aplicaciones y como última curiosidad quiero destacar que no ha sido nuestra especie quien la ha inventado.

Leave a Reply

Tu dirección de correo electrónico no será publicada. Los campos obligatorios están marcados con *