56.- Los microorganismos y la biotecnología

Actualmente se estudian los problemas más complejos y difíciles del crecimiento y de la división celular utilizando microorga­nismos, especialmente bacterias. Las células de muchos 

de estos seres crecen individualizadas, separándose después de la división celular y por ello resulta difícil cultivar y aislar organismos unice­lulares en condiciones bien definidas. A diferencia de lo que ocu­rre con las células o tejidos de organismos superiores, que requie­ren una variedad de factores de crecimiento, muchas bacterias crecen en un medio simple y bien definido y se prestan a toda clase de estudios y manipulaciones en el laboratorio. Por todas estas razones, en las últimas décadas, los esfuerzos de los científi­cos se han concentrado en unos pocos tipos de bacterias, situándole claramente en vanguardia Escherichia coli y organismos afines. Precisamente por su simplicidad, facilidad de cultivo y carencia de patogeneidad, esta bacteria se ha constituido en el ser vivo más estudiado en la actualidad, si se exceptúa el hombre. Sin unas razones demasiado importantes la E. coli se ha transformado en el organismo por excelencia de la moderna Biología Molecular, ciencia a la que ya ha proporcionado copiosos frutos.

Al hablar de la Biotecnología es preciso subrayar que una de sus principales facetas, la ingeniería genética, se ha desarrollado básicamente gracias a estudios realizados con microorganismos. De hecho son muchas las ventajas con que cuentan los microorga­nismos sobre otro tipo de células y que los hacen sumamente ade­cuados para esta clase de investigaciones. A diferencia de lo que sucede con las células vegetales o animales, que se multiplican lentamente y son muy exigentes desde el punto de vista nutricional y de difícil cultivo, los microorganismos y especialmente las bacterias, se cultivan y crecen fácilmente, incluso a gran escala en voluminosos tanques de fermentación, sin olvidar que presentan una gran versatilidad para la utilización de muy variados y diver­sos sustratos, aspecto este de gran importancia en biotecnología.

La mayoría de los científicos interesados en la biología molecu­lar del crecimiento y de la división celular concentran sus esfuer­zos en las bacterias, debido en parte a que sus células son unas 500 veces más pequeñas que la célula media de cualquier planta o animal superior, con un número de moléculas que, en el caso de las células de E. coli, oscila entre 3.000 y 6.000, de las cuales aproximadamente la mitad son macromoléculas. Además, se sabe que esta bacteria cuenta con suficiente DNA para codificar se­cuencias de aminoácidos correspondientes a unas 3.000 ó 4.000 moléculas de proteínas diferentes, siendo estos conocimientos su­ficientes para facilitar gran variedad de manipulaciones genéticas; los datos sobre el metabolismo bacteriano permiten ya alterar a voluntad los mecanismos reguladores, orientándolos a la síntesis de aquellos productos más interesantes. La posibilidad de desarro­llar mulantes súper productores de diferentes sustancias ha contri­buido a su mayor revalorización, sobre todo al considerar los avances logrados en la identificación de las vías metabólicas y en el desarrollo de la ingeniería genética, permitiendo un nuevo enfo­que biológico. Hoy es posible introducir material genético exógeno en una célula microbiana y diseñar prácticamente a voluntad los pasos metabólicos que han de ser alterados para canalizar su metabolismo hacia la producción de una determinada sustancia de interés industrial.

Los avances logrados en citogenética de las levaduras han he­cho que este grupo de microorganismos pase a ocupar un lugar importante en los actuales estudios de ingeniería genética, dada la facilidad con que hoy se realiza toda clase de manipulaciones ge­néticas y clonaciones moleculares. Pero existe otro grupo de mi­croorganismos, los virus, que ofrecen también un interés biológico grande dentro de la biología molecular y la moderna biotecnolo­gía, sobre todo al actuar como vectores de clonación en numero­sos experimentos de ingeniería genética. De hecho los virus, y más concretamente los bacteriófagos, han sido utilizados para llevar a cabo la amplificación genética en los trabajos de manipulación genética. Los métodos modernos de análisis de secuencias nucleóticas permiten ahora resolver series completas de nucleótidos de cromosomas de distintas clases de fagos, facilitando así la ingenie­ría genética.

Otro aspecto al que resulta obligado referirse en este contexto es al de los plásmidos o elementos genéticos circulares de DNA bicatenario súper enrollado que se replican autónomamente en las bacterias y que suelen estar presentes también en las levaduras. Los plásmidos, actualmente bien conocidos, poseen información genética que codifica numerosas funciones, como la resistencia a antibióticos y a metales, la fertilidad sexual en bacterias, la forma­ción de toxinas bacterianas, la degradación de compuestos aromá­ticos y la producción de algunos antibióticos. La introducción de material genético externo en los plásmidos ha sido llevada a cabo con gran profusión en bacterias entéricas y especialmente en E. coli. Pensando en la biotecnología, estos sistemas ofrecen conside­rable interés industrial, sobre todo en relación con la síntesis de aminoácidos de amplio uso comercial.

La importancia del desarrollo de las colecciones de microorganismos, dado el enorme interés que poseen con fines científicos e industriales. La conservación de microorganismos es un compromiso difícil pero necesario, y aho­ra, de cara a la biotecnología, de la mayor importancia ya que frecuentemente en las colecciones microbianas hay que manejar especies portadoras de vectores, plásmidos o virus de gran valor, que pueden plantear algunos problemas. El uso creciente de los microorganismos para la producción de sustancias de interés in­dustrial sólo puede tener éxito si se dispone de cultivos fiables y auténticos y por ello existe una conciencia cada vez más firme de que las colecciones proporcionan recursos y servicios que son una decisiva aportación al desarrollo de la biotecnología. La red inter­nacional de colecciones de microorganismos (en la que está inte­grada la Colección Española de Cultivos Tipo, la CECT, con sede en el Departamento de Microbiología de la Universidad de Valen­cia) puede ahorrar a los biotecnólogos una enorme cantidad de trabajo y de recursos económicos que será preciso evaluar adecua­damente ya que en estas colecciones siempre resulta posible en­contrar el microorganismo que cumpla las exigencias deseadas para desarrollar un trabajo específico.

También existen en otros campos la inserción de microbios:

Uno de los grandes desafíos de la nanotecnología es el ensamblaje de objetos a escala nanométrica en sistemas más complicados que los hoy viables. Robert Hamers, profesor de química de la Universidad de Wisconsin Madison, piensa al respecto que las bacterias y otros sistemas biológicos pequeños pueden ser utilizados como plantillas para fabricar sistemas aun más complejos

Con este propósito, Hamers y sus colegas de la universidad, Joseph Beck, Lu Shang y Matthew Marcus, han desarrollado un sistema en el cual se conducen bacterias por un canal hasta un par de electrodos separados apenas por la longitud de un germen, permitiendo a los investigadores capturar, examinar y liberar células bacterianas una por una. Esta técnica superaría a la tediosa manipulación de objetos como nanotubos o nanohilos. Construida en un sensor, tal capacidad posibilitaría la detección a tiempo real de agentes biológicos peligrosos, incluyendo ántrax (carbunclo) y otros agentes patógenos microbianos.

Valiéndose de la compleja topografía de la superficie celular bacteriana, y de interacciones con anticuerpos, los científicos potencialmente podrían construir estructuras mucho más complicadas a escala nanométrica, a través de la capacidad natural de las células de acoplarse a diferentes tipos de moléculas. Las moléculas expresadas sobre la superficie bacteriana pueden adaptarse a microhilos, con lo que se obtendría un sensor biológico a tiempo real, un dispositivo que podría ser colocado en aeropuertos, estadios, estaciones de ferrocarril, rascacielos, oficinas de correos y otras áreas públicas para detectar y dar la alarma de la presencia de agentes biológicos peligrosos que podrían ser usados por bioterroristas.

Hamers cree que el nuevo trabajo podría ser la base para unir la nanotecnología y la biología en formas para las que no hay precedentes.