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El Cuaderno de Por qué Biotecnología nº 51

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Biotecnología y producción de antibióticos

Los antibióticos, un hito de la biotecnología

La mayoría de las personas conoce acerca de la existencia de antibióticos, y su empleo es un hecho frecuente en el mundo entero hace varios años. La biotecnología, por su parte, se considera un desarrollo reciente. Sin embargo, la biotecnología se encuentra presente en la vida cotidiana más de lo que la gente se imagina, hace muchos años. Por ejemplo, pocos conocen la relación que existe entre los antibióticos y la biotecnología. De hecho, la producción de antibióticos que se inició a mediados del siglo XX, se considera la primera aplicación de la biotecnología a la vida cotidiana de las personas.
Para comprender mejor esta afirmación, se debe recordar a qué se llama biotecnología y definir qué es un antibiótico.
La biotecnología se define tradicionalmente como “el empleo de organismos vivos para la obtención de un bien o servicio útil para el hombre”. Actualmente, la biotecnología moderna emplea técnicas de ingeniería genética, e incluye la producción de proteínas recombinantes, el mejoramiento de cultivos vegetales y del ganado, el empleo de organismos para limpiar el medio ambiente, y otras aplicaciones industriales”.
Los antibióticos pueden definirse como moléculas con actividad antimicrobiana y, originalmente, eran el producto del metabolismo de hongos y bacterias.
De lo anterior se desprende que los antibióticos para uso humano que se obtienen a partir de los microorganismos son productos biotecnológicos, y se consideran la primera aplicación de la biotecnología a la industria farmacéutica.

¿Qué son los antibióticos?

Como ya se adelantó, los antibióticos en un principio involucraban productos del metabolismo de hongos y bacterias, capaces de inhibir en pequeñas dosis los procesos vitales de ciertos microorganismos, destruyendo o impidiendo su desarrollo y reproducción.
Los antibióticos naturales son productos del metabolismo secundario de ciertos microorganismos provenientes del suelo, como los hongos del género Penicillium o las bacterias del género Streptomyces. El metabolismo secundario comienza cuando el microorganismo detiene su crecimiento por alguna razón (por ejemplo, por agotamiento de nutrientes), y los intermediarios metabólicos o productos finales comienzan a acumularse dentro de la célula. Estos intermediarios y productos finales pueden resultar tóxicos, y por eso la célula los convierte en productos menos tóxicos, como los antibióticos.
La producción y secreción de las sustancias antibióticas no afectan al microorganismo productor, y le ofrecen una ventaja desde el punto de vista de la supervivencia ya que le permiten colonizar ambientes con más eficacia que sus competidores.

Antibióticos sintéticos y semi-sintéticos

En la actualidad no sólo se fabrican antibióticos naturales, es decir, a partir del cultivo a gran escala de microorganismos, sino que también hay antibióticos sintéticos y semi-sintéticos. Los antibióticos sintéticos se producen en el laboratorio a través de procesos de síntesis química, como es el caso de las sulfamidas. Otros antibióticos se obtienen a partir de cultivos microbianos y luego se modifican químicamente. Éstos últimos son los antibióticos semi-sintéticos, como por ejemplo, la ampicilina, derivada de la penicilina.

¿Qué tipo de antibióticos existen?

Los antibióticos pueden clasificarse tomando en cuenta diferentes criterios:
• Según su mecanismo de acción, algunos antibióticos impiden la síntesis de la pared celular de los microorganismos, otros alteran la membrana plasmática, y la mayor parte de ellos inhiben la síntesis de ácidos nucleicos o proteínas.
• Según la estructura química se diferencian las penicilinas, cefalosporinas, aminoglucósidos, tetraciclinas, sulfamidas u otros.
• Según su espectro de acción, es posible dividirlos en agentes de amplio espectro, que actúan frente a multitud de bacterias, y agentes de espectro restringido que solo actúan frente a algunos tipos de bacterias.

Alexander Fleming y el descubrimiento de la penicilina

La penicilina es el antibiótico que revolucionó el tratamiento de las infecciones bacterianas, como la neumonía, sífilis, tuberculosis y gangrena, y dio origen a la industria farmacéutica. El descubrimiento de la penicilina fue un hecho casual, que se debe al trabajo de Alexander Fleming, bacteriólogo del Hospital St. Mary de Londres, quien estaba interesado en el desarrollo de métodos de profilaxis y asepsia. Mientras se encontraba trabajando con bacterias del tipo estafilococos observó que una de las placas de cultivo había sido contaminada por un hongo. Decepcionado, pero sorprendido, Fleming observó que alrededor del hongo se formaba un enorme halo sin bacterias. Era evidente que el hongo (que luego se supo era de la especie Penicillum notatum) producía “algo” capaz de matar a las bacterias. Fleming llamó a este principio activo “penicilina notatum”. El 1929 publicó sus experimentos, aunque no despertó el interés de la comunidad científica.

En 1938 fueron los ingleses Howard Walter Florey y Ernst Boris Chain quienes retomaron las investigaciones de Fleming, aislaron la penicilina y realizaron los experimentos claves en ratones. Los ensayos clínicos se iniciaron en 1941, y en 1943 comenzó la producción comercial en Estados Unidos. Fleming compartió en 1945 el Premio Nobel de Fisiología y Medicina con Florey y Chain por sus contribuciones al desarrollo de la penicilina.

Fabricación industrial de la penicilina

El hongo utilizado industrialmente para la producción de penicilina es Penicillum chrysogenum. El primer sistema de producción de penicilina fue el conocido como “método de superficie”, donde el hongo crecía en la superficie de una capa de medio de cultivo en bandejas. Pero después de 1944, el desarrollo del método de “fermentación sumergida” permitió disminuir los requerimientos de espacio y, consecuentemente, los costos de producción.

Los fermentadores para la producción de penicilina alcanzan los 20.000 a 115.000 litros de capacidad. El medio de cultivo para la fermentación se compone básicamente de un caldo de maíz, con el agregado de lactosa y compuestos inorgánicos. Después de ajustar el pH (4,5-5,0), el medio de cultivo se pasa al fermentador equipado con un agitador vertical y con un sistema de inyección de aire estéril y serpentinas para mantener la temperatura entre 23 y 25 ºC. El hongo se introduce estérilmente y se inicia la fermentación, durante la cual el aire estéril permite el crecimiento del hongo y la agitación facilita su distribución en el fermentador. Después de unas 50 a 90 horas la tasa de crecimiento del hongo disminuye, el fermentador se enfría a 5 ºC para prevenir la desestabilización del antibiótico y el hongo se separa por filtración.

La penicilina se extrae posteriormente empleando solventes, se concentra, se esteriliza por filtración y luego el producto se cristaliza y se envasa.

En búsqueda de nuevos antibióticos

La búsqueda de nuevos antibióticos es probablemente más urgente en la actualidad que en los tiempos de Fleming, ya que muchos antibióticos que fueron alguna vez altamente efectivos han perdido utilidad frente a los organismos patógenos. Este hecho es el resultado de un proceso por el cual los microorganismos desarrollan resistencia frente a antibióticos que en el pasado les resultaban letales.

Si bien los antibióticos son compuestos químicos producidos naturalmente por los microorganismos, y la adquisición de resistencia a los antibióticos también es un proceso natural en los seres vivos, se considera que el hombre ha influido en este acontecimiento evolutivo. Se cree que el uso indiscriminado de antibióticos por parte del hombre, ha acelerado el proceso de selección natural por el cual las bacterias más resistentes se han visto beneficiadas frente a las más sensibles. Estas cepas resistentes sobreviven a la presencia del antibiótico y pueden propagarse exitosamente.

Concientes del riesgo que significa que los antibióticos sean inocuos para los microorganismos patógenos, diferentes centros de investigación o compañías farmacéuticas en todo el mundo realizan extensas búsquedas de microorganismos o de nuevas moléculas antibióticas con diferentes mecanismos de acción.

Además, la industria farmacéutica está interesada en encontrar antibióticos más baratos y más seguros para la salud humana, ya que algunos de los existentes, aunque efectivos, presentan efectos colaterales indeseables. Los nuevos antibióticos generalmente se obtienen por modificación química de los que ya se usan, para otorgarles nuevas propiedades.

Sin embargo, el mayor desafío es encontrar antibióticos completamente nuevos. Para eso, se realiza un arduo y sistemático trabajo de búsqueda o rastreo, llamado “screening”, que se podría resumir en los siguientes pasos:

1) Se obtiene la mezcla de microorganismos que hay en diferentes muestras de tierra o de agua.
2) Se analiza la capacidad que tiene cada muestra de producir algún tipo de antibiótico a través de antibiogramas u otros tipo de ensayos.
3) Si el resultado es positivo, se aíslan los diferentes componentes de la muestra, se los cultiva por separado y se analiza su efecto antibacteriano, con el objetivo de individualizar al microorganismo productor de antibióticos.
4) Se estudia de qué tipo de antibiótico se trata para comprobar que no sea uno ya conocido.
5) Se estudia de qué bacteria u hongo se trata para ver cómo puede crecer en cultivo.
6) Se ensaya la producción del antibiótico haciendo crecer al microorganismo en pequeños fermentadores, para pasar luego a más grandes.
7) Se estudia detalladamente al antibiótico, desde su estructura química y modo de acción hasta su eficacia, toxicidad y efectos colaterales en animales y humanos.

Mejoramiento de los antibióticos

Los productos del metabolismo secundario, como los antibióticos, suelen generarse en concentraciones muy bajas. Es por eso que una vez elegidas las bacterias productoras, se busca la manera de mejorarlas en el laboratorio para transformarlas en “superproductoras”.

Una de las técnicas empleadas para lograrlo es la mutagénesis, que introduce cambios azarosos en el ADN que pueden favorecer o acelerar la síntesis del antibiótico. Otra alternativa es, una vez conocidas las enzimas que participan en la síntesis del antibiótico, dirigir la mutación a los genes que codifican para estas enzimas para que trabajen más y fabriquen más producto.

Otra técnica que se puede emplear es la ingeniería genética para aumentar el número de copias de los genes que codifican para las enzimas que intervienen en la producción del antibiótico. De esta forma se fabricará, a partir de una misma célula, más cantidad del producto final.

Finalmente, la ingeniería genética permite también transferir los genes de las enzimas mencionadas a organismos más fáciles de crecer y manipular, como Escherichia coli, para que éstos produzcan el antibiótico deseado.