Tema 1 - Introducción a la Biotecnología Marina
La biotecnología es una rama del conocimiento científico la cual busca la
integración de los conocimientos de las ciencias naturales y de las ciencias
ingenieriles con el objetivo de proveer diferentes productos y servicios a la
sociedad a través de su aplicación e integración a moléculas, células, organismos
y otros análogos relativos a los diferentes componentes de la vida. Dentro del
ámbito de la biotecnología se encuentra la conocida como la biotecnología azul o
biotecnología marina, la cual engloba un conjunto de herramientas y procesos que
permiten la transformación de los recursos vivos marinos en bienes y servicios
aplicables a diversos campos, tales como la industria farmacológica o la
acuicultura. Dicha ciencia se nutre principalmente de la explotación de
microorganismos (bacterias, cianobacterias y hongos), microalgas, macroalgas e
invertebrados (poliquetos, equinodermos, etcétera).
En la actualidad, más del 50% de los fármacos en el mercado derivan de
productos naturales terrestres. Sin embargo, debido a que estas fuentes se están
explotando y agotando se busca en el medio marino nuevas fuentes de productos
naturales, pues los océanos son el centro de la biodiversidad global y se
consideran una fuente abundante de diversidad biológica y química. En concreto,
los océanos cubren más del 70% de la superficie terrestre, y contienen más de
300.000 especies descritas de plantas y animales. Esto hace al ambiente marino
una de las regiones de megadiversidad a nivel mundial y perfila a los océanos
como una nueva fuente nueva e intacta de compuestos potencialmente útiles.
Organismos terrestres versus organismos acuáticos
Los organismos marinos son ricos en metabolitos bioactivos; además, sus
productos naturales son con frecuencia de estructura química nueva y usualmente
diferentes de sus contrapartes terrestres. Las propiedades únicas de los
organismos marinos son producto de su vida exclusivamente marina y del efecto
ejercido por las características del agua de mar sobre su química, fisiología y
metabolismo (además de adaptaciones propias de cada grupo de organismos).
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,La investigación en Biotecnología Marina
Las primeras investigaciones del uso de los organismos marinos como fuentes de
metabolitos bioactivos y de productos naturales marinos potencialmente útiles se
ubican a inicios de la década de 1960. Inicialmente, la investigación estaba dirigida
al estudio del metabolismo secundario de los organismos marinos; no obstante,
actualmente esta se basa en el descubrimiento de organismos y metabolitos con
actividades potenciales para usos industriales y biomédicos, principalmente.
Una de las limitaciones principales que presenta el desarrollo de bioproductos de
origen marino es la disponibilidad de material biológico, pues la abundancia
natural de organismos no soportaría el desarrollo basado en la cosecha natural.
Ante esta situación, se plantean soluciones para el uso sostenible de los recursos
marinos, tales como la síntesis química, la acuicultura del organismo de interés, el
cultivo celular, el clonado molecular y la biosíntesis. Dichas opciones requieren del
conocimiento previo de las vías bioquímicas fundamentales por las cuales se
sintetizan los bioproductos que se desean obtener.
Metabolitos secundarios
Los metabolitos secundarios son compuestos orgánicos producidos por
organismos tales como bacterias, hongos o plantas los cuales no están
directamente involucrados en las funciones de crecimiento, desarrollo o
reproducción del organismo. A diferencia de los metabolitos primarios (los cuales
sí son esenciales para la vida y reproducción de las células del organismo), la
ausencia de metabolitos secundarios no produce la muerte inmediata, sino más
bien un deterioro de la habilidad de supervivencia a largo plazo, la fecundidad o la
estética del organismo, e incluso en ocasiones no genera cambio significativo.
Generalmente, los metabolitos secundarios son específicos de cada especie y,
aunque no son necesarios para garantizar la supervivencia del organismo, estos
intervienen en funciones importantes como la protección o la competencia,
ofreciendo ventajas adaptativas a las especies para su sobrevivencia en la
comunidad biológica y ambiente en el cual se encuentran.
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,Al metabolismo secundario responsable de estas propiedades se le define como
“las vías bioquímicas que no son requeridas necesariamente para el crecimiento o
reproducción de un organismo, sino que pueden demostrarse genéticamente,
bioquímicamente o fisiológicamente”.
En ocasiones, el término de metabolito secundario se confunde con el término de
“producto natural”, el cual hace referencia a cualquier molécula orgánica bien
definida producida por un organismo vivo. La diferencia entre ambos conceptos
reside en que el producto natural engloba cualquier tipo de molécula producida por
un organismo, incluyendo los metabolitos secundarios, pero no solamente estos,
pues también puede hacer referencia a los metabolitos primarios. No obstante, en
ocasiones los términos se refieren a un mismo compuesto; esta confusión es
debida a que la bioprospección se orienta con frecuencia a la obtención de
productos naturales bioactivos que, por lo general, son metabolitos secundarios.
Los metabolitos secundarios presentan dos tipos de funciones:
● Funciones exógenas en el ambiente: Protección contra organismos
competidores, regulación del comensalismo y la cohabitación, protección
contra oxidantes físico - químicos, adquisición de metales traza,
desintoxicación, etcétera.
● Funciones endógenas en el organismo productor: Señales regulatorias
endógenas que disparan morfogénesis, señales endógenas que regulan
apareamiento (feromonas), desintoxicación endógena de metabolitos,
aporte de materiales de la pared celular, material endógeno de reserva no
accesible a otros microorganismos, etcétera.
Características de los metabolismos secundarios
Los metabolitos secundarios presentan las siguientes características:
● Se pueden encontrar en cualquier grupo de organismos sin distinción. En
ocasiones son formados por grupos relativamente pequeños de organismos
de taxonomía específica, en otras ocasiones por cepas específicas pero no
por especies definidas taxonómicamente.
● No son esenciales para el crecimiento y la reproducción del organismo.
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, ● Usualmente existe una correlación inversa entre la tasa de crecimiento
específico y la formación de metabolitos secundarios (existe una generación
de metabolitos secundarios en condiciones de estrés del organismo).
● Su formación es dependiente de las condiciones ambientales.
● Confieren una ventaja selectiva y adaptativa a los organismos que los
producen.
● Un número importante no poseen función biológica aparente.
● Son más pequeños y químicamente más diversos que los metabolitos
primarios.
● Se generan por vías ramificadas del metabolismo primario.
● Su producción puede regularse mediante las condiciones de cultivo.
Biología combinatoria
Cuando la regulación metabólica es eficiente, los productos intermediarios y
terminales de las vías primarias de los organismos (glucólisis, vía de las pentosas
fosfato, ciclo del ácido tricarboxílico, etcétera), además de no poseer el aparato
genético para elaborar metabolitos secundarios, no se acumulan.
En cambio, ciertos organismos cuentan con genes para producir metabolitos
secundarios, además de los genes necesarios para el crecimiento. En estos
organismos existen ciertos pasos del metabolismo primario que carecen de
regulación, lo que resulta en la síntesis de productos terminales e intermediarios
de las vías primarias. En condiciones de estrés metabólico, tales reservas
acumuladas de intermediarios pueden inducir vías subsidiarias, dando lugar a la
formación de metabolitos secundarios.
Esto refleja el proceso por el cual las vías del metabolismo secundario
probablemente evolucionan. Así, la recombinación aleatoria y la mutación de los
genes existentes en cada ocasión resulta en la formación de una nueva entidad
química en una célula, de tal forma que, si la producción del nuevo compuesto es
ventajosa, esta nueva capacidad biosintética será “imprimida”.
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