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Por Lorena López-Galvis

La biotecnología se ha mostrado como una herramienta básica para el desarrollo de una sociedad sostenible en la que la demanda de alimentos, la presión por la tierra arable y la reducción en los recursos han generado un afán por producir tanto alimentos como materias primas de manera más eficiente y con un mejor uso de los recursos naturales. Aparte de los logros que ha tenido la biotecnología en la generación de cultivos de mayor rendimiento con resistencia a plagas, enfermedades y estrés abióticos [1], también ha sido importante para usar las plantas como fábricas vegetales de las cuales se cosechan materias primas, medicinas, químicos y vacunas.
Las plantas son unas increíbles fábricas de químicos, a partir de los sustratos más simples y baratos como lo son el dióxido de carbono, la luz solar, el agua y minerales del suelo, producen miles de moléculas químicas de diversas estructuras. Más de 50000 estructuras químicas se han analizado en el reino vegetal y aún hay muchas más por analizar (Tabla 1). Muchos de estos compuestos se conocen como metabolitos secundarios y se producen en determinadas especies vegetales [2]. Lo interesante de estos metabolitos son las propiedades que tienen como materia prima para industria como es el caso de ciertos aceites, del caucho, de la cafeína, y también porque muchos se conocen por sus propiedades medicinales como antioxidantes, antiinflamatorios e incluso anticancerígenos.

Tabla 1. Algunos ejemplos de estructuras químicas derivadas de plantas [2].

Tipo molecular Numero de estructuras conocidas Ejemplos
Isoprenoides > 25000 Mentol, turpentina, caucho
Alcaloides > 12000 Cafeína, nicotina
Fenoles > 8000 Vainillina, antocianinas
Ácidos grasos y derivados > 500 Aceite de castor, uroshiol
Misceláneos >5000 Sorbitol, goma de guaraná

Durante muchos años, la extracción y uso de estos químicos ha sido una de las tareas de la biotecnología vegetal. El entender la ruta metabólica de cierto metabolito y la posibilidad de aislar los componentes responsables de su síntesis y metabolismo permiten modificar (vía transgénesis o mejoramiento tradicional) dicha ruta en favor de la producción del químico usando así la planta como una fábrica vegetal. Muchas de estas moléculas se están investigando como alternativas a la industria de derivados del petróleo ya que como “compuestos verdes” permiten una producción más limpia, renovable, de menor impacto contaminante y con beneficios para la industria y economía local.

Un ejemplo de la química verde son los aceites vegetales que pueden derivar materias primas para uso en detergentes, plásticos y cosméticos, que normalmente usan como materia prima derivados del petróleo [2]. Sin embargo, es importante anotar que muchos de estos productos no se obtienen en grandes cantidades a partir del material vegetal, por ejemplo una semilla de oleaginosas (palma, girasol) puede tener hasta un 50% de su peso en aceite, pero esto es una mezcla de diversos aceites que dependen de procesos industriales de extracción para su rendimiento final.

Un 25% de las medicinas usadas actualmente se descubrieron como químicos producidos por las plantas que ahora se pueden sintetizar industrialmente, ejemplos de estas son la salicina (analgésico) de Salix alba, efedrina (antihistamínico) de Ephedra sinica, morfina (analgésico) de Papaver somniferum, timol (antifúngico) de Thymus vulgaris, mentol (rubefaciente) de Mentha sp. [3]. Sin embargo, hay una gran variedad de moléculas promisorias que aún dependen de las plantas para su síntesis industrial, es el caso del Taxol, un anticancerígeno descubierto en 1967 por el Instituto Nacional de Cáncer de Estados Unidos bajo un proyecto de colecta de especies vegetales para evaluación de compuestos naturales en citotoxicidad de células. Con la aprobación del taxol o pacitaxel como droga quimioterapéutica en 1990, la demanda por este fármaco ascendió, y por esto el interés inicial de conseguir una fuente de síntesis de alta eficiencia y calidad. Desde 1993, el taxol se extrae por fermentación de células vegetales de Taxus propagadas en medio acuoso junto con el hongo endofito Penicillium raistrickii [4] y no se usan más extracciones de madera de Taxus brevifolia.

De esta manera muchos de los químicos verdes han mostrado algunas de las ventajas del uso de las plantas y de la actividad bacteriana para extraer compuestos importantes como lo son etanol, ácido cítrico y ácido láctico. En estos casos el sustrato es material vegetal, principalmente almidón de maíz, el cual es fermentado en contenedores de gran tamaño por bacterias o levaduras que se ha seleccionado o transformado genéticamente para modificar su capacidad de producir determinado compuesto. Por ejemplo en 2011 el 25% del maíz producido en Estados Unidos fue usado como sustrato para producir bioetanol.

Otro campo de desarrollo importante para el uso de las plantas como fábricas verdes o bioreactores es la producción de vacunas. Este campo se conoce como “Biopharming” o producción de farmacéuticos en plantas y se desarrolló como ruta alternativa para la producción de vacunas de manera más económica y eficiente que la síntesis comercial, que usa costosos sistemas de células animales. Este avance es importante para países en desarrollo que son los que se benefician de vacunas de bajo costo, ya que es la herramienta más eficiente para controlar enfermedades y epidemias [8]. Plantas modificadas genéticamente han podido expresar proteínas recombinantes que incluyen antígenos y anticuerpos virales y bacterianos, entre ellas están el banano, tomate, arroz, zanahoria, entre otros que producen vacunas contra la hepatitis B y el cólera [2]. Inclusive el fin de estas vacunas es que puedan ser administradas directamente como parte del alimento y al ser consumidas inmunicen a las personas objetivo, aunque aún no se ha llegado a este término con esta tecnología.

Aunque hay barreras legales, sociales y políticas para el uso de la biotecnología, los avances en este campo han mejorado, y seguirán mejorando, ampliamente la agricultura y la vida de los seres humanos. El uso de las plantas como método alternativo de producción de compuestos de interés para el hombre abre una puerta muy amplia para la investigación y la generación de industria teniendo en cuenta que permite producciones más limpias y sostenibles y que puede generar un impacto social de alto valor en el caso de síntesis de vacunas.

Referencias

[1] Sinclair, T. R., Purcell, L. C., & Sneller, C. H. 2004. Crop transformation and the challenge to increase yield potential. Trends in plant science, 9(2), 70-75.

[2] Chrispeels, M & D. Sadava. 2003. Plant, Genes and Crop Biotechnology. Jones and Bartlett Publishers, Inc. London, UK. 2nd edition.

[3] Goodman, J &, V. Walsh. 2001. The story of taxol. Nature and politics in the pursuit of an anti-cancer drug. Cambridge University Press, Cambridge, UK.

[4] Taylor, L. 2000. Plant based drugs and medicines. En http://www.rain-tree.com/plantdrugs.htm#.UlwJnVBWzLQ

[5] Haas, M.J. 2010. Paclitaxel routes in bacteria. SciBX 3(40); 10.1038/scibx.2010.1199

[6] http://www.reed.edu/biology/professors/ddalton/research.html

[7] Gross, R. & K. Bhanu. 2002. Biodegradable Polymers for the Environment. Science 297 (5582):803-807.

[8] Ahmad P, Ashraf M, Younis M, Hu X, Kumar A, Akram NA, Al-Qurainy F. 2012. Role of transgenic plants in agriculture and biopharming. Biotechnol Adv. 30(3):524-40.

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BIOGENIC (Biólogos Genetistas Colombianos) surgió en el 2003 en Cali - Colombia, cuando un grupo de amigos que trabajábamos en el Centro Internacional de Agricultura Tropical (CIAT) nos reunimos con la idea de contribuir activamente en la divulgación y promoción de la investigación científica en el área de genética y disciplinas afines.

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