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Cuaderno Nº 101  

Biotecnología marina
  Los océanos constituyen alrededor del 70% de la superficie terrestre. En ellos está representada la mayor biodiversidad existente en la Tierra. Debido a esto, los científicos comenzaron a explorar estos ambientes, en busca de nuevas sustancias que puedan utilizarse en distintas industrias, tales como la de los alimentos y medicamentos, así como para la conservación del medio ambiente.
Así surge la biotecnología marina, como una disciplina emergente basada en el uso de recursos naturales marinos para encontrar soluciones a problemas de hoy. Incluye la exploración de las capacidades de los organismos marinos, incluso a nivel molecular, y permite avanzar en la comprensión del material biológico marino.

¿Qué estudia la biotecnología marina?
La biotecnología marina es el uso de organismos marinos, sus genomas, o sus productos derivados, para beneficio del hombre. Esta amplia definición sugiere que existe una enorme variedad de desarrollos e investigaciones científicas en esta disciplina y los más importantes son aquellos relacionados al estudio de la biodiversidad y remediación del ambiente y el desarrollo de nuevos fármacos de origen marino (ver Cuaderno Nº 36, 57, 88).

Biotecnología marina y medicina
Los organismos marinos,  al igual que los terrestres,  son considerados fábricas químicas vivas, ya que  producen una gran cantidad de compuestos metabólicos (ver Cuaderno 47, 51).
Además de los metabolitos primarios esenciales para las funciones fisiológicas básicas (tales como los azúcares, lípidos, proteínas, ATP y ácidos nucleicos), los organismos producen  metabolitos secundarios que están implicados en su aptitud y supervivencia en el medio en donde habitan.
Los investigadores están interesados en conocer cómo los organismos utilizan estos metabolitos secundarios que producen. Se ha demostrado, por ejemplo, que ciertas algas marinas e invertebrados contienen ciertos productos naturales en sus tejidos que hace que sean atacados en menor medida por sus depredadores, a diferencia de los organismos que no producen esos metabolitos.
En otros casos, los depredadores secuestran en sus tejidos los metabolitos secundarios producidos por su presa, los cuales les sirven para su propia defensa.
Actualmente,  se sabe que los productos naturales aislados de fuentes marinas tienden a ser más bioactivos que aquellos provenientes de organismos terrestres. Esto se debe, en parte, a que deben conservar su potencia a pesar de la dilución en agua de mar para ser eficaces en la "guerra química" que se produce en las relaciones de competencia entre organismos.
Algunos de estos compuestos con potencial quimioterapéutico se encuentran en ensayos clínicos en humanos para tratar ciertos tipos de cáncer.
Para la búsqueda de nuevas especies (también conocida por el término inglés screening), se deben escoger aquellos lugares de alta biodiversidad, pero además que el número de individuos de cada especie también sea elevado. Esto permitirá que la investigación tenga un impacto mínimo sobre el ecosistema.
Una vez tomadas las muestras, deben ser clasificadas y documentadas con precisión, para que los especimenes que resulten de interés puedan ser recolectados nuevamente en el futuro. A su vez,  es necesario conservarlas en frío para que se mantengan intactas hasta su llegada al laboratorio.
La búsqueda y recolección de especimenes para la investigación y obtención de productos naturales  de interés (proceso llamado bioprospección) pueden resultar en una labor compleja. Japón, por ejemplo, invierte casi mil millones de dólares en tales esfuerzos, de los cuales el 80% es financiado por el sector privado.

¿Cuáles son los pasos que siguen los investigadores en estas búsquedas?
Para el proceso de colección de muestras, se utilizan distintos equipamientos dependiendo de los ambientes en donde se realizará (hábitats poco profundos entre 0 y 50 m, o mares profundos en donde las condiciones son menos propicias).
Los equipos recogen una gran cantidad de organismos marinos que incluyen individuos sésiles (esponjas, corales y tunicados), algas y sedimentos en los que se encuentran una gran variedad de bacterias.  
Primero, se clasifican las muestras mediante etiquetas que indican lugar y fecha de recolección, y esta información se correlaciona en registros con otros datos disponibles con respecto a la muestra: temperatura y salinidad del lugar en donde fue encontrado, descripciones físicas de la localización y de la muestra en sí misma, y las condiciones atmosféricas a la hora de la colección.
Luego, todas las muestras son fotografiadas intactas junto con su etiqueta de identificación para crear un expediente fácilmente accesible, antes de que la muestra sea procesada.
Una porción de la muestra  es congelada y utilizada para realizar su caracterización taxonómica (determinar a qué especie pertenece).  
Luego, la muestra es procesada: se cortan en pequeños trozos y se mezclan con etanol u otro solvente y se muelen con el objetivo de romper las células y dejar en solución las sustancias químicas, para ser luego analizada su actividad biológica.
Esto se realiza mediante una técnica llamada cromatografía líquida de alta precisión (HPLC), en donde los compuestos químicos individuales dentro de un extracto se separan y producen determinadas señales (picos) en un gráfico llamado cromatograma. Estos se pueden comparar con picos correspondientes a sustancias conocidas para determinar si una muestra dada ha producido algún compuesto aún no conocido. Cuando esto ocurre, los científicos pueden recoger más cantidad de la muestra para determinar algún potencial biomédico del compuesto nuevo.
Algunos de los productos naturales bioactivos aislados de invertebrados marinos son, en realidad, producidos por las bacterias asociadas a ellas. Por esta razón, los científicos mantienen las muestras y cultivan los microorganismos del sedimento asociado a los invertebrados muestreados.

Nuevos compuestos bioactivos
Un extracto crudo derivado de un organismo marino contiene una gran cantidad de compuestos, pero generalmente solo uno de éstos será responsable de una bioactividad particular exhibida por el extracto durante la investigación del laboratorio (ver Cuaderno Nº 25, 51).
Cuando la actividad farmacológica resulta prometedora, los investigadores comienzan a aislar las moléculas implicadas en esta actividad. Allí es donde los programas de química farmacológica deben encontrar la manera de sintetizar químicamente el principio activo, para evitar acudir permanentemente a la fuente natural. Una solución a esto lo brinda la biotecnología, ya que mediante técnicas de ingeniería genética se pueden transferir los genes que sintetizan una sustancia a organismos no marinos fácilmente cultivables en el laboratorio, como la bacteria Escherichia coli.
Luego de probar la actividad de la sustancia estudiada en modelos vivos, los candidatos se presentan ante los organismos reguladores para su inclusión en ensayos clínicos.



En resumen, para que una molécula extraída del océano se convierta en un medicamento, se necesita la participación de equipos multidisciplinarios que involucran a investigadores, empresas y universidades que invierten muchos años de trabajo (ver Cuaderno Nº 10).

Bioproductos en el mercado
A pesar de la poca atención que, históricamente,  se les ha prestado a los productos naturales de origen marino, actualmente existe una gran cantidad de bio-productos derivados que están comercialmente disponibles.
Las primeras drogas datan de más de 50 años y fueron extraídos de una esponja del Caribe llamada Tethya crypta. Estos compuestos eran nucleósidos similares a los que forman las unidades del ADN y ARN (ver Cuadernos Nº 3, 32, 65), salvo que poseían un tipo de azúcar llamada arabinosa, en vez de la desoxirribosa y ribosa características de estos ácidos nucleicos. Estos análogos naturales resultaron tener características antivirales inesperadas, actuando como agentes inhibidores de la transcripción reversa de ciertos virus. Esto condujo a la síntesis de un número de drogas antivirus y anticáncer comercialmente disponibles en la actualidad. Dentro de estas drogas se encuentra el AZT (zidovudina), para el tratamiento del virus HIV, la cual es producida bajo el nombre comercial de Retrovir®. En la siguiente tabla se muestran algunos medicamentos derivados de organismos marinos:



La biotecnología y el futuro de la bioprospección marina
Se espera que un futuro cercano, los esfuerzos en bioprospección  se centrarán no solo en el descubrimiento de productos naturales de plantas, animales, y microorganismos marinos, sino también que se utilicen herramientas biotecnológicas para explorar la información almacenada en los genomas de estos organismos.
Con el advenimiento del Proyecto Genoma Humano (ver Cuaderno Nº 55) y las tecnologías que emergieron de él, los científicos están investigando y ordenando genomas de otros seres vivos. Actualmente, se cuenta con el conocimiento del genoma completo de un grupo de microorganismos. Además, el estudio del genoma de vertebrados marinos, como algunos peces,  ya ha comenzado.
Se espera que estos esfuerzos en investigación puedan contribuir en un futuro, con el desarrollo de la siguiente generación de productos farmacéuticos para mejorar la salud humana, así como también contribuir con la salud animal y la agricultura.

Biotecnología marina y medioambiente

Biorremediación
La biotecnología también hace su aporte a la remediación del medio ambiente. Esta tecnología, denominada biorremediación, aprovecha la capacidad de los microorganismos de utilizar como fuente de Carbono a los contaminantes (hidrocarburos) y transformarlos en compuestos totalmente inocuos: dióxido de  carbono (CO2) y agua (H2O). (Ver Cuadernos Nº 36 y 46).
Dos de los casos más conocidos en donde se aplicó la biorremediación con microorganismos para limpiar aguas contaminadas con hidrocarburos, fueron los derrames tras los accidentes del Exxon Valdez (Alaska, 1989) y el Prestige (Galicia, 2002). En Galicia, España, tras el accidente del Prestige, las bacterias autóctonas fueron las que limpiaron por sí solas algunas zonas contaminadas. En estudios realizados en la zona, se encontraron 60 cepas bacterianas que se alimentaban del fuel derramado, una riqueza de microorganismos hasta ese momento desconocida y que podría deberse a la gran cantidad de vertidos contaminantes, utilizado como alimento para las bacterias.

Biofouling
La biotecnología también puede ayudar a solucionar un fenómeno llamado biofouling. Este es un problema a nivel mundial que cuesta billones de euros al año a flotas de distintos países. El proceso se inicia con la adhesión de microorganismos a la superficie metálica de los barcos. Las bacterias atraen algas, moluscos y otros organismos marinos, y en este proceso se dañan las estructuras de acero de las embarcaciones y frenan su avance, llegando a producir un aumento en el consumo de combustible de hasta un 50%.
Este fenómeno de biofouling, obliga a realizar una limpieza periódica de los barcos con compuestos químicos extremadamente tóxicos, además de tener un costo elevado.
Actualmente, se está buscando una solución a este problema, utilizando como herramienta al mismo medio marino. Allí, se han encontrado organismos (bacterias, esponjas y corales) que secretan ciertas sustancias, las cuales los hacen inalterables ante el fenómeno del biofouling. Los investigadores descubrieron una sustancia llamada ácido zostérico, sintetizado por una planta que vive en las praderas submarinas llamada Zostera marina, que imposibilita la adhesión de cualquier microorganismo. También se están estudiando otros compuestos para solucionar el biofouling, tales como proteoglicanos del erizo de mar o glicoproteinas hidrofóbicas de marsopas y ballenas.
La solución de este fenómeno no sólo tendrá aplicación a las embarcaciones, sino que se espera que un futuro se pueda aplicar a nivel industrial, en donde el problema del biofouling interfiere con los intercambiadores de calor y bloquea las tuberías, así como en el terreno de la medicina, evitando la formación de películas de bacterias en implantes y  material quirúrgico.

Monitoreo de contaminación del medio marino
Los océanos contienen millares de compuestos tóxicos que interactúan con millones de especies, con diversas susceptibilidades y en una gran diversidad de ambientes dinámicos. En este escenario, el acercamiento tradicional de intentar estudiar los efectos de un solo producto químico en una sola especie resulta insuficiente.
En este sentido, la biotecnología y sus herramientas moleculares están ofreciendo una alternativa en la superación de la complejidad de estos estudios.
Una estrategia potencial consiste en medir los efectos de la exposición química en  determinados organismos vivos, utilizando biomarcadores.
Los biomarcadores son parámetros biológicos cuantificables que pueden servir como indicadores de la salud. Algunos ejemplos los constituyen las enzimas u hormonas producidas por los organismos en respuesta a la exposición a los compuestos tóxicos.
Así, se examina específicamente la respuesta fisiológica de los organismos expuestos a una variedad de agentes tóxicos, revelando cómo éstos afectan a la salud de los organismos. Por ejemplo, en una investigación realizada en ballenas y otros mamíferos marinos, se estudió el nivel de expresión del gen CYP1A (Cytochrome P450 1A). Un elevado nivel de expresión indica que ese animal habría sido expuesto a niveles significativos de agentes contaminadores tóxicos.

En resumen, la industria biotecnológica aportará nuevas soluciones al estudio y conservación del mundo marino. Las nuevas herramientas permitirán conocer más a fondo los océanos y sus productos, descubrir nuevas sustancias de interés para la salud humana y diseñar nuevos métodos para el desarrollo sostenible de esos bioproductos.

 
 

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