El reto que plantea el aumento de la demanda de alimentos

China, con sus ~1400 millones de habitantes, ha experimentado un notable desarrollo social y económico en las últimas décadas. Hoy es la segunda economía más grande del mundo. Pero hay algo en los que pocos caen en cuenta: su gran demanda de alimentos, la cual depende cada vez más de las importaciones.

Entre 2010 y 2018, el valor de las importaciones de productos agrícolas de China aumentó en 78 %. La consecuencia es una mayor presión ambiental en los países exportadores, como Brasil. El país sudamericano es el principal proveedor de soya del gigante asiático. Se estima que el 43 % de las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) asociado a la deforestación para el cultivo de soya se debe a las importaciones chinas de este cultivo.

Ahora imaginen lo que ocurrirá en 2050 si las tendencias se mantienen. Un estudio publicado en la revista Nature Sustainability evaluó el impacto ambiental que generará China en sus socios comerciales debido al aumento en la demanda de alimentos. El análisis se enfocó en cuatro componentes: el uso de las tierras agrícolas (para la producción de granos y pastos), las emisiones de GEI asociadas a la agricultura, el uso de fertilizantes nitrogenados sintéticos y el uso de agua para riego. Los siguientes gráficos resumen los hallazgos.

Agricultura industrial o agroecología

De acuerdo con el estudio, las importaciones chinas representaron el 35 % del comercio mundial de soya en 2010 (unas 45 millones de toneladas, Mt). Para el 2050 se prevé que este porcentaje alcance el 46 % (unas 126 Mt). ¿De dónde creen que saldrá toda esa soya?

Aunque a muchos no les guste —especialmente a los grupos ecologistas— se requiere de una agricultura industrial para cubrir esta demanda. Esto implica el uso de semillas mejoradas (híbridas, transgénicas, etc.), maquinaria agrícola y agroquímicos para obtener altos rendimientos (cantidad producida por área de cultivo). De no ser por este tipo de producción intensiva se requeriría de más áreas agrícolas para producir la misma cantidad de soya. Esto se traduciría en una mayor deforestación y reducción de hábitats naturales. Sin embargo, este tipo de agricultura tiene un costo ambiental muy alto.

En nuestros días, la agricultura industrial es un mal necesario. No podemos desprendernos de ella sin afectar la disponibilidad, asequibilidad y accesibilidad de alimentos. Algunas personas creen que la solución está en la agroecología (no confundirla con agricultura ecológica) que, de acuerdo con la FAO, se basa en diez principios que devienen en una gama de prácticas agrícolas y ganaderas sostenibles.



El problema radica cuando se tiene una visión esencialista de la agroecología, que rechaza frontalmente la biotecnología, la utilización de paquetes tecnológicos o la intensificación productiva. Esta visión es compartida por muchas organizaciones ecologistas, de agricultores y productores orgánicos, quienes usan la agroecología como un arma ideológica para luchar contra el modelo agroindustrial en vez de buscar la preservación de los ecosistemas y la sostenibilidad ambiental, económica y social.

Enfoque sistémico

Satisfacer la creciente demanda de alimentos y lograr sostenibilidad de la producción agraria, es uno de los mayores desafíos de las próximas décadas. Sin dudas hay que cambiar los patrones de consumo, por ejemplo, reduciendo el consumo de carnes rojas. Pero también debemos llevar la ciencia y la tecnología al campo, de la mano con los agricultores, para producir más con menos recursos.

Para lograr esto se debe tener una visión pragmática de la agroecología, que busque la conservación de la biodiversidad y la sostenibilidad ambiental, con independencia de que se basen o no en paquetes tecnológicos, incorporando los avances de la biotecnología (como la edición genética) y sin demonizar el papel de la industria. Es decir, una agroecología que no mire las herramientas del pasado sino las del futuro. Lamentablemente, la discusión sobre la agricultura se ha politizado, donde solo priman las representaciones particulares y selectivas de la realidad.

De acuerdo con el profesor Ken Giller, de la Universidad de Waheningen en Países Bajos, no existen enfoques universales ni soluciones únicas, tal como proponen los acérrimos defensores de la agroecología o de la agricultura moderna. Las condiciones locales que enfrentan los agricultores son muy variables. Se requiere un enfoque de sistemas que considere el clima, los factores biológicos (plagas, enfermedades, etc.), la gestión del suelo y del agua, las realidades ecológicas, sociales y económicas, etc.

La agricultura industrial puede adoptar varios principios de la agroecología, como la rotación de cultivos (para recuperar los nutrientes del suelo) y los cultivos de cobertura (para reducir el uso de herbicidas). Y la agroecología puede adoptar herramientas biotecnológicas para facilitar el manejo de plagas y evitar pérdidas por sequías o heladas. Lo que no podemos hacer es restringir opciones a los agricultores basados en prejuicios o miedos carentes de sustento científico. La crisis climática nos obliga a echar mano a todas las herramientas que tenemos a la mano.

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Desaparece linaje de gripe por la COVID-19

Las medidas aplicadas para frenar la transmisión de la COVID-19 —como la distancia social y el uso de mascarillas— también permitió reducir los casos de gripe o influenza. Esta enfermedad respiratoria también es causada por virus, que se pueden agrupar en cuatro tipos: A, B, C y D. Los dos primeros son de importancia para la salud pública. Por ello, la vacuna tetravalente ha sido diseñada para brindar protección contra dos subtipos de gripe A (H1N1 y H3N2) y dos linajes de gripe B (Victoria y Yamagata).

Con la reducción de casos de gripe, el virus tiene menos posibilidades de adquirir mutaciones ventajosas y evolucionar. Además, las variantes menos frecuentes tienden a desaparecer al reducir sus chances de encontrar nuevos hospederos. Esto impacta enormemente en su diversidad genética, tal como se ha visto durante la pandemia.

Reducción de la diversidad genética de los virus de la gripe. Fuente: Koutsakos et al. (2021).

Las infecciones provocadas por los virus del tipo B son responsables de la cuarta parte de los casos anuales de gripe. Sin embargo, a diferencia de los virus del tipo A, no se conoce un reservorio animal: solo se transmite entre humanos. Esto constituye una desventaja para el virus porque, si no puede conseguir nuevos hospederos, se extingue. Y esto es lo que pudo haber ocurrido con el linaje B/Yamagata.

De acuerdo con un reporte publicado esta semana en Nature Reviews Microbiology desde marzo de 2020 no se han aislado ni secuenciado virus del linaje B/Yamagata. Lo que no se sabe es si realmente este linaje se ha extinguido o simplemente está "escondido" porque los virus del tipo B suelen entrar en un estado de dormancia durante largos periodos de tiempo. Se requiere un muestreo y la secuenciación más exhaustivo para poder distinguir con certeza entre la falta de detección y la verdadera extinción.

Número de secuencias depositadas en GISAID de los cuatro subtipos de virus de la gripe. Fuente: Koutsakos et al. (2021).

La posible extinción del linaje B/Yamagata abre la posibilidad de aumentar el número de dosis disponibles de vacunas para su distribución mundial al pasar de una vacuna tetravalente a una trivalente. También se podría mejorar el nivel de protección de la vacuna tetravalente al incluir otro subclado de la gripe A(H3N2) que difiere sustancialmente del subclado empleado en las vacunas actuales, aunque requeriría de ensayos clínicos adicionales.

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La manifestación poco conocida de la tenia solitaria

En las profundidades del intestino delgado puede habitar un extraño huésped. Parece un fetuchini tan largo como una anaconda, pero dividido en decenas de pequeños segmentos llamados proglótides. Vive anclado a la pared intestinal por unos espeluznantes ganchos y ventosas que tiene en la cabeza (si así se le puede llamar a eso). No tiene boca porque se alimenta a través de la piel. Es la famosa tenia solitaria.

Escólex de Taenia solium con cuatro ventosas y rostelo con ganchos. Fuente: CDC.

Le llaman solitaria porque no necesita de una compañera (o compañero) para poder formar una familia. Son hermafroditas. Cada proglótido maduro tiene su propio suministro de óvulos y esperma, capaces de producir unos 60 000 huevos muy resistentes que son liberados a través de nuestras heces. Al menos seis segmentos llenos de huevos son liberados cada día por una persona infectada.

Cuando los cerdos comen alimentos contaminados con heces humanas, común en algunas zonas de la sierra y selva del país, pueden estar ingiriendo los huevos de la tenia. Una vez dentro, el embrión es liberado del huevo y atraviesa la pared del intestino, alcanzando el torrente sanguíneo. A través de él viaja hacia los tejidos musculares donde forma un quiste apenas visible llamado cisticerco.

Si analizamos el cisticerco bajo un microscopio veremos a la larva con la espeluznante cabeza completamente ensamblada. Ya está preparada para que, una vez ingrese al cuerpo humano a través de un plato de chicharrón o un asado de cerdo mal cocido, se adhiera rápidamente a nuestros intestinos donde alcanza su madurez y reincida su ciclo de vida.

Tener una enorme solitaria en el intestino puede ser algo molesto, pero no es lo peor que nos puede ocurrir. A veces, lo que ingerimos no son los cisticercos sino los mismos huevecillos. Es entonces cuando la tenia solitaria nos trata como si fuéramos unos cerdos...

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Un día llega al servicio de emergencia del hospital Guillermo Almenara, en La Victoria, un anciano de 82 años, natural de Huancayo, que presentaba deterioro en sus facultades cognitivas. Cualquiera pensaría que esto se debía a su avanzada edad. Pero lo que más preocupó a los médicos fueron las convulsiones, los ataques epilépticos, la desorientación y la pérdida de la fuerza motora en la parte derecha del cuerpo. No tenía fiebre y el resto de sus signos vitales parecían normales. Sin embargo, notaron la presencia de unos pequeños bultos bajo la piel, cerca al tronco y las extremidades. Una prueba de western blot confirmó que el paciente tenía cisticercosis.

¿Serían estos parásitos los que le provocaban los daños neurológicos al anciano? Los médicos mandaron al paciente a sacarse una tomografía y una resonancia magnética cerebral para ver si habían quistes en el encéfalo (neurocisticercosis) y esto fue lo que encontraron:

Resonancia magnética nuclear cerebral. A) corte axial y B) corte coronal del cerebro. Fuente: Maquera-Afaray et al. (2014) 

La imagen es impactante. No hay que ser médico para ver claramente los quistes diseminados en ambos hemisferios del cerebro, la órbita ocular [Figura A], el tronco encefálico, el cerebelo y bajo la piel del cuello [Figura B]. En la imagen de la izquierda se ven los quistes oscuros y, en la derecha, brillantes.

Cuando las larvas alcanzan el cerebro forman quistes que pueden medir un centímetro de diámetro. El cerebro se transforma en una especie de queso suizo, provocando serios daños neurológicos en la persona, especialmente, ataques epilépticos.

La neurocisticercosis es bastante común en Latinoamérica, con al menos unos 400 000 infectados, de los cuales 30 000 estarían en Perú.

Pero lo más sorprendente de este caso no fueron los quistes en el cerebro, sino los que estaban diseminados por todo el cuerpo del anciano, comprometiendo los pulmones, el corazón, el hígado, el páncreas, la pelvis y las extremidades.

Resonancia magnética nuclear de tórax (izquierda) y abdomen (derecha). Las bolitas brillantes vienen a ser los quistes.

Resonancia magnética nuclear de pelvis. Corte tangencial (izquierda) y transversal (derecha).

Esta manifestación de la enfermedad llamada cisticersosis diseminada (CCD) es extremadamente rara. Solo un centenar de casos reportados en el mundo, la mayoría en la India donde es más común el tipo de cisticercosis subcutánea (quistes bajo la piel, por lo general, asintomáticos). En el Perú, este fue el primer caso documentado de CCD con extenso compromiso de diferentes órganos.

No obstante, a pesar que el anciano era prácticamente la nave nodriza de los parásitos, un tratamiento con albendazol y prednisona por dos semanas fue suficiente para que se recuperara. Lamentablemente, a los pocos meses de haber sido dado de alta fallece por una neumonía.

Referencia:

Maquera-Afaray J, Capaquira E, Conde L. Cisticercosis diseminada: reporte de un caso en Perú. Rev Peru Med Exp Salud Publica. 2014;31(2):370-4.

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Si las imágenes presentadas te sorprendieron, mira esta otra de una resonancia magnética de cuerpo completo de un paciente mongol con CCD.

CCD en un paciente de Mongolia. Fuente: Soo Yong Park et al. (2011).

Artículo publicado originalmente el 16 de julio de 2014 en Expresión Genética del diario El Comercio.

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Virus protectores de orugas

Las larvas de lepidópteros —grupo taxonómico al que pertenecen las polillas y mariposas— no tienen una vida fácil. Por un lado, son infectadas por virus que controlan sus movimientos y las disuelven desde su interior; y, por otro, son usados como nidos y alimento de larvas de avispas parasitoides. Es cierto que algunas son plagas de diversos cultivos y no merecen nuestra mayor consideración, como es el caso del gusano cogollero (Spodoptera frugiperda); pero otras se convierten en bellas mariposas que cumplen roles importantes en el ecosistema. 

Esta competencia entre virus y avispas parasitoides por someter a las pobres orugas generó un interesante proceso evolutivo que fue descrito en un reciente estudio publicado en Science. Las orugas infectadas por ciertos tipos de virus producían unas proteínas conocidas como factores de muerte de parasitoides (PKF, por sus siglas en inglés), que son tóxicas para las larvas de las avispas que se desarrollan en su interior. Es decir, las orugas se vuelven resistentes a sus avispas parasitoides.

Las PKF ya eran conocidas hace varias décadas, pero no se sabía de dónde procedían. Al analizar los genes que las codifican observaron que estaban presentes en diferentes grupos de virus, como los baculovirus, ascovirus y entomopoxvirus; y también en el genoma de algunos lepidópteros. Esto indicaba que hubo una transferencia de genes entre los virus y los insectos. Es decir, eran "transgénicos naturales". De esta forma, las orugas podrían resistir el ataque de las avispas parasitoides sin la necesidad de estar infectadas por los virus, lo que explicaría por qué algunas plagas adquieren resistencia a sus controladores biológicos.

Árbol filogenético de las secuencias de los PKF. Fuente: Gasmi et al. (2021).

Pero la historia no termina aquí. Resulta que hay avispas parasitoides como la Meteorus pulchricornis que, al poner sus huevecillos en las orugas, les transmiten un ascovirus que inactiva el efecto tóxico de las PKF. De esta manera, sus larvas pueden sobrevivir dentro de su hospedero que en teoría es resistente. Sin embargo, aún no está claro por qué algunos virus tienen los genes para las PKF y otros no. Tampoco se sabe si todas las PKF funcionan de la misma manera o si hay otros genes que juegan un papel protector similar.

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Frijoles transgénicos desarrollados en Brasil llegan a los mercados

En septiembre de 2011, la Comisión Técnica Nacional de Bioseguridad de Brasil aprobó el cultivo de un frijol genéticamente modificado desarrollado por la Empresa Brasileña de Investigación Agropecuaria (Embrapa). La decisión marcó un hito en el desarrollo biotecnológico de la región. Era el primer producto transgénico con fines comerciales desarrollado íntegramente por una institución pública (aunque parte del financiamiento derivaron de las regalías obtenidas por Monsanto).

La característica de este frijol es su resistencia contra el virus del mosaico dorado (BGMV) transmitido por la mosca blanca (Bemisia tabaci). Este virus provoca una reducción del tamaño de las plantas, el aborto de flores y la deformación de vainas y granos, que pueden llevar a la pérdida total del cultivo cuando la infección es temprana. Controlar el vector es complicado. Requiere de una combinación de prácticas culturales (regular fechas de siembra, utilizar cercos vivos, eliminar residuos de cosecha previa, entre otros) y aplicación de insecticidas (los neonicotinoides son los más efectivos, pero perjudiciales para insectos benéficos). Gracias a la ingeniería genética, el frijol desarrollado por Embrapa puede defenderse por sí mismo.

Síntomas del BGMV. Fuente: Embrapa.

Silenciar genes

En 1977 Jean y Peter Medawar hicieron la mejor descripción de lo que es un virus: “malas noticias envueltas en proteína“. Las malas noticias están escritas en formato ARN (como en los coronavirus) o ADN (como en el BGMV). ¿Cuál es el mensaje? Instrucciones para fabricar más virus, es decir, los genes necesarios para hacer muchas copias del mensaje y para producir las proteínas que protegerán el mensaje. Para ejecutar esta tarea, los virus requieren de insumos y herramientas. Esto lo consiguen invadiendo inocentes células.

¿Cómo evitarlo? Podemos impedir la entrega del mensaje o bloquear la lectura del mensaje. Nuestro sistema inmune hace lo primero. Fabrica anticuerpos que reconocen las proteínas del virus y facilitan su destrucción antes que infecten las células. Las plantas no cuentan con ello, pero ¿qué hay de la segunda estrategia?

En 2006, los científicos estadounidenses Andrew Fire y Craig Mello recibieron el Premio Nobel de Medicina por descubrir un mecanismo que usan las células eucariotas (como de las plantas) para evitar que un gen se convierta en proteína.

Recordemos que los genes están escritos en formato ADN, conformado por dos hebras complementarias (A con T y C con G). Sin embargo, los ribosomas solo leen el formato ARN que solo tiene una hebra. Así que el gen de ADN primero debe transcribirse a ARN. A este intermediario se le conoce como ARN mensajero (ARNm).

Fire y Mello observaron pequeñas moléculas de ARN con secuencias complementarias al ARNm de ciertos genes, que se pegaban a estos formando un ARN de doble hebra (ARNdh). Los ARNdh son destruidos por las células antes que se traduzcan en proteínas. A este mecanismo de regulación de la expresión genética se le conoce como silenciamiento de genes por ARN de interferencia (ARNi).

Silenciamiento de genes por ARN de interferencia. Fuente: Sylentis.

Resistencia al BGMV

Los investigadores de Embrapa aprovecharon esta estrategia para bloquear el mensaje del BGMV cuando infectara el frijol. A partir de la secuencia genética del virus, diseñaron un pequeño fragmento de ADN complementario al gen rep —que es indispensable para la replicación del virus— para generar un ARNi y silenciarlo. De esta manera, la planta no manifestaba los síntomas de la enfermedad. Era “inmune” al BGMV.

El frijol transgénico fue sometido a diversas pruebas. Observaron si el gen introducido era estable por varias generaciones. Determinaron el nivel de resistencia al virus. Analizaron su inocuidad y seguridad para el consumo humano. Evaluaron cualquier efecto no intencional sobre el ambiente y la biodiversidad. Con toda esta información elaboraron un expediente de 500 páginas donde demostraban la seguridad del producto, que fue evaluado y, finalmente, aprobado por la entidad reguladora en 2011.

Desarrollo de variedades comerciales

El hecho que una planta transgénica sea autorizada para ser cultivada, no significa necesariamente que esté lista para ser usada. Primero se debe desarrollar las variedades comerciales. Es decir, cruzar el frijol transgénico con cultivares de alto rendimiento y productividad, buena calidad del grano, adaptadas a los diferentes agroecosistemas y que son preferidas tanto por agricultores como por los consumidores locales.

Este proceso tomó varios años, hasta que en 2019 Embrapa lanza el primer cultivar transgénico llamado BRS FC401 RMD (Resistente ao Mosaico Dourado). Fue producto del cruzamiento entre el frijol transgénico —desarrollado en la variedad “Olathe Pinto”— con la variedad carioca BRS Pontal. Ambos son frijoles moteados o “pinto“, muy consumidos en Brasil. Embrapa también evalúa desarrollar otras variedades de frijol RMD, a parte del carioca. Se consideró un frijol negro RMD con fines de exportación, pero antes el evento transgénico debe estar autorizado para consumo humano en el país de destino.

A inicios de 2020, Embrapa otorgó a dos semilleristas locales 2000 Kg de semilla de frijol transgénico para que se encarguen de multiplicarlo y comercializarlo. Para la campaña 2020-2021 se produjeron 90 toneladas de semilla BRS FC401 RMD suficiente para cubrir unas 1500 hectáreas, de las casi tres millones que se siembran en Brasil. Todavía es poco, pero la adopción de una nueva variedad toma su tiempo, más aún si es transgénica porque dependerá de la aceptación por parte de los consumidores.

Frijol transgénico en tiendas

Han pasado más de quince años del día en que, en una placa Petri, unas células de frijol adoptaron un fragmento de ADN que les haría inmunes frente al virus del mosaico dorado. El frijol BRS FC401 RMD ya se encuentra en las tiendas, al menos, en Goiânia. Y, tal como exige la normativa brasileña, está etiquetado para que el consumidor pueda reconocerlo como transgénico (una T negra dentro de un triángulo amarillo) y decidir si comprarlo o no.

La biotecnología ofrece soluciones a problemas que aquejan a los agricultores. No son la panacea, pero sí una herramienta muy útil que, sumadas a otras como el manejo integrado de plagas o las mismas prácticas agroecológicas, pueden hacer que la agricultura sea mucho más sostenible y resiliente.

Los efectos del cambio climático en la agricultura ya los estamos sintiendo: sequías prolongadas, heladas frecuentes, inundaciones, presencia de plagas en nuevos nichos ecológicos, caída de rendimientos por altas temperaturas, etc. Requerimos cambios profundos en nuestro estilo de vida y patrones de consumo, pero también herramientas para adaptarnos rápidamente a estos cambios.

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Nota: Artículo publicado originalmente el 20 de julio de 2021 en Expresión Genética del diario El Comercio.

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Las patentes asociadas a las vacunas de ARNm

Las vacunas de Pfizer/BioNTech y Moderna son las primeras en usar la tecnología del ARN mensajero (ARNm) para proteger a las personas de la COVID-19. De manera sencilla, nos inyectan unas nanopartículas de grasa que contienen la receta para que nuestras células produzcan la misma proteína que usa el SARS-CoV-2 para invadirlas. Cuando esto ocurre, nuestro organismo “cree” que está siendo atacado por el coronavirus y activa la respuesta inmune, dejándonos protegidos para futuras infecciones.

El mecanismo de acción de estas vacunas parece simple. Sin embargo, detrás de ellas hay una red de patentes (que protegen la parte tecnológica) y secretos comerciales (que protegen el conocimiento técnico o “know-how”) que la sustentan. No basta sintetizar la molécula de ARNm y ponerla dentro de una bolita de grasa. Hay una serie de modificaciones que le hacen a esta molécula para que pueda convertirse en una vacuna.

Mario Gaviria (Universidad de Michigan) y Burcu Kilic (ONG Public Citizen) hicieron un análisis preliminar de esta intrincada red de patentes y lo publicaron la semana pasada en Nature Biotechnology. La siguiente gráfica resume sus hallazgos, donde se incluye a CureVac y Arcturus, que también están desarrollando sus vacunas basadas en ARNm.

Red de acuerdos y patentes asociadas con las vacunas basadas en ARNm. Fuente: Nature Biotechnology.

Para entender este panorama, debemos saber que los primeros trabajos para usar el ARNm como un agente terapéutico datan de inicios de la década de 1990. Pero fue la Universidad de Pennsylvania que a partir de 2005 trabajó con mayor intensidad en esta tecnología. Varias de sus patentes fueron licenciadas a mRNA RiboTherapeutics, por ejemplo, el uso de la pseudouridina (Ψ) en vez de la uridina (U) para evitar que el propio ARNm genere una respuesta inmune en nuestro organismo. Luego, mRNA RiboTherapeutics sublicenció las patentes a CellScript que, a su vez, las sublicenció a BioNTech y Moderna.

Con relación a las nanopartículas lipídicas, los primeros estudios se realizaron en 1998, a través de un trabajo conjunto entre la Universidad de Columbia Británica (UBC), a quien le otorgaron la patente, y Arbutus Biopharmaceuticals, quien la licenció. Además, Arbutus licenció otras tecnologías similares de la empresa Acuitas Therapeutics en 2012, las cuales sublicenció a Moderna. Curevac, por su parte, firmó un acuerdo con Acuitas para acceder a sus patentes. Mientras que BioNTech accedió a las nanopartículas lipídicas a través de una sublicencia otorgada por Genevant, una empresa creada de forma conjunta por Arbutus y Roivant. Luego BioNTech firmó un acuerdo con Pfizer para producir las vacunas contra la COVID-19.

Una cuestión interesante es que la secuencia de ARNm empleadapor las vacunas de Pfizer/BioNTech, Moderna y CureVac fue desarrollada por los Institutos Nacionales de Salud de los Estados Unidos (NIH), la cual codifica una versión muy estable de la proteína “espiga” del SARS-CoV-2.

Como pueden ver, esta intrincada red de patentes, acuerdos y licencias es una muestra de lo complejo que es el desarrollo de las vacunas contra la COVID-19. Y, a pesar de ello, se logró obtener las vacunas en tiempo récord. También es importante resaltar el papel que cumplen las universidades. Los principales componentes de las vacunas basadas en ARNm se desarrollaron ahí, posiblemente como resultado de investigaciones básicas. El problema se origina cuando las patentes pasan a ser propiedad de empresas que limitan el acceso a la tecnología. Las investigaciones científicas se ven obstaculizadas y se frena el desarrollo de nuevos productos para el beneficio de la humanidad.

Referencia:

Gaviria M, Kilic B. A network analysis of COVID-19 mRNA vaccine patents. Nat Biotechnol. 2021;39(5):546-548.

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La oruga derretida

Las larvas de la polilla gitana (Lymantria dispar) llevan una vida tranquila. Durante el día, descansan en las grietas de la corteza de los árboles o enterradas en el suelo para evitar ser capturadas por sus depredadores. En las noches, salen de sus escondites y se alimentan de hojas hasta minutos antes del amanecer. A los cuarenta días de vida, se convierten en pupas, y dos semanas después, emergen como polillas adultas. Se aparean, ponen cientos de huevecillos y reinician su ciclo biológico.

Oruga de la polilla gitana. Fuente: Wikimedia Commons.

Una mañana, una de estas orugas aparece colgada boca abajo en la hoja más alta de una planta. Parece muerta. De pronto, empieza a estirarse y derretirse como si fuera un pedazo de plástico puesto cerca del fuego. La oruga literalmente gotea sobre las hojas que se encuentran debajo. Es una escena es macabra. Ninguna oruga presenció este hecho. Era de día y estaban escondidas. Pero en la noche, sin darse cuenta, se alimentan de las hojas sobre las cuales gotearon los restos de la desafortunada víctima. 

Dos días después, una de las orugas que se alimentó de las hojas contaminadas muestra un comportamiento extraño. Mientras todas se escondían al llegar el alba, ésta larva caminaba como un zombi hacia la hoja más alta de la planta. Se veía más grande que sus compañeras. De pronto, se coloca boca abajo y a la mañana siguiente se derrite.

Oruga derritiéndose. Fuente: Michael Grove.

¿Qué les ocurre a las orugas para comportarse de esa manera? ¿Por qué se derriten? 

Los primeros estudios de esta extraña enfermedad se remontan a mediados del siglo XIX, cuando los productores de seda veían como sus orugas morían de esta trágica manera. Al analizarlas bajo el microscopio de luz, observaron unas estructuras poliédricas dentro de ellas. Le llamaron “poliedrosis”. Fue recién en la década de 1940 cuando se determinó que el causante de esta enfermedad era un virus. Y treinta y cinco años después le pusieron el nombre de baculovirus porque su forma se asemejaba a un bastón (baculum, en latín).

A través de un estudio realizado en el 2011, investigadores de la Pennsylvania State University revelaron el mecanismo de acción de este virus. Cuando las orugas van a mudar de piel dejan de alimentarse, pero no cuando están infectadas. El baculovirus produce una enzima llamada EGT (ecdisteroide UDP-glucosiltransferasa) que degrada la hormona 20-hidroxiecdisona, responsable de activar la muda. Y no solo eso, la EGT junto a la proteína tirosin-fosfatasa (PTP) son responsables del cambio de comportamiento de las orugas, provocando que estas migren hacia la parte superior de las plantas durante el día. 

Un experimento demostró que si se inactiva el gen que codifica EGT en el baculovirus, la oruga ya no migra a la parte superior de la planta.

Lo más fascinante es que los genes que codifican tanto la EGT como la PTP tienen su origen en los mismos lepidópteros, familia a la que pertenecen las polillas y mariposas. Esto quiere decir que los baculovirus tomaron “prestados” los genes de los ancestros de las polillas para poder controlar el comportamiento de sus orugas y usarlas para su propio beneficio. 

Una vez que la oruga alcanza la hoja más alta, el baculovirus activa unas enzimas llamadas proteasas y quitinasas que, como su nombre lo indica, se encargan de degradar diversas proteínas y la quitina que conforman las estructuras vitales de los insectos. Esto provoca que la oruga se disuelva desde adentro. Cada gota que cae puede contener más de 10 millones de partículas virales listas para infectar a un nuevo hospedero. 

Actualmente, los baculovirus son usados en el control biológico de ciertas plagas agrícolas. La industria farmacéutica investiga su potencial para el desarrollo de vacunas. Es realmente increíble como un organismo tan simple como un virus puede alcanzar tal grado de sofisticación al momento de infectar. 

Este es un claro ejemplo del concepto de fenotipo extendido propuesto por el biólogo evolucionista Richard Dawkins: el comportamiento de la oruga es el producto de la expresión de los genes del virus. Los genes actúan más allá del organismo que lo posee y alteran el entorno que los rodea.

[Artículo publicado originalmente el 18 de junio de 2014 en Expresión Genética del diario El Comercio].

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¿Podemos vivir sin algunos de nuestros genes?

En el norte de Europa, un 14% de la población sería inmune a la infección por el Virus de Inmunodeficiencia Humana (VIH). Su secreto: uno de los aproximadamente 21 600 genes que codifican proteínas en el ser humano está inactivo por una mutación. El gen se llama CCR5 y su función es producir una molécula receptora de la membrana de los glóbulos blancos que justamente es usado por el VIH para poder infectarlas.

Proporción de la población europea que tiene inactivo el gen ccr5. Fuente: PLOS Biology.

Hace unos años, The New York Times publicó un extenso artículo sobre Ashlyn Blocker, una niña estadounidense que era insensible al dolor. En cierta ocasión, Ashlyn recogió una cuchara del fondo de una olla donde se cocinaban los fideos. No se dio cuenta de lo que había hecho hasta que vio las ampollas de quemaduras en su mano. Para ella, el dolor no existía debido a una mutación en el gen SCN9A que desbarata el canal de sodio Nav1.7 en las neuronas receptoras del dolor.

En 2006 científicos de la Universidad de Texas, a cargo del Dr. Jonathan Cohen, descubrieron que un 2,6% de los afroamericanos tenían inactivo el gen PCSK9. Esto provocaba que sus niveles de lipoproteínas de baja densidad (LDL) en sangre bajen en una cuarta parte y que el riesgo de padecer una enfermedad cardiaca coronaria se reduzca en un 90%.

Siete años antes, en 1999 la genetista Kathryn North y sus colaboradores de la Universidad de Sidney descubrieron que al menos un 16% de la población mundial tiene el gen ACTN3 inactivo. Lo extraño es que cuando se inactiva este mismo gen en los ratones, mueren. ¿Por qué no ocurre lo mismo en los seres humanos?

Estos ejemplos nos muestran que podemos prescindir de algunos de nuestros genes y aún así ser personas saludables, y hasta inmunes a ciertas enfermedades. Es como un juego Jenga: nuestros genes actúan como si fueran las piezas de madera que podemos ir quitando sin que la torre (nuestro organismo) colapse, pero solo hasta cierto punto.

Imagen: Science.

En genética, la palabra técnica utilizada para definir a los genes inactivos debido a mutaciones es knock-out (KO). Es decir: "genes fuera de combate". En 2006 científicos norteamericanos y europeos iniciaron un osado proyecto: noquear cada uno de los 20 000 genes de los ratones de laboratorio para ver lo que pasaba (algo que no podríamos hacer en seres humanos por cuestiones éticas). Le llamaron el Proyecto Knock-Out del Ratón. La importancia de este trabajo radica en que los humanos compartimos un 75% de nuestros genes con los ratones, por lo que el efecto que provocaría la ausencia de un gen en los roedores también podría ocurrirnos a nosotros.

Sin embargo, existen genes KO naturales en nuestra especie, tal como vimos en los primeros párrafos. De hecho, hace unos años un grupo internacional de investigadores liderados por el Dr. Daniel MacArthur, estimó que una persona sana tiene al menos 20 genes inactivos. Debido a esto, MacArthur y otros científicos del mundo quieren analizar los genomas de más personas para identificar otros genes similares. Le llamó el Proyecto Knock-out del Humano.

La estrategia que emplearon fue estudiar los genomas de poblaciones aisladas históricamente o que por cuestiones culturales es frecuente el matrimonio entre parientes muy cercanos (p. ej.: primos hermanos). En estas parejas, la probabilidad de que el niño herede la misma variante genética inactiva es mucho mayor. Los resultados de un primer estudio fueron publicados en 2017.

La idea de estos trabajos fue hallar otros genes knock-out como el CCR5, SCN9A o PCSK9, que otorguen cierta ventaja a quienes lo poseen. De esta manera, desarrollar fármacos que bloqueen su actividad para desarrollar mejores tratamientos contra ciertas infecciones o enfermedades.

Referencia:

Kaiser, J. (2014) The Hunt for Missing Genes. Science 344 (6185): 687 - 689 doi: 10.1126/science.344.6185.687

Artículo publicado originalmente el 23 de junio de 2014 en Expresión Genética del diario El Comercio.

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Requerimientos y limitaciones para la vida extraterrestre

¿Hay vida fuera de nuestro planeta? No lo sabemos, "pero si estamos solos en el Universo, seguro sería una terrible pérdida de espacio", sentenció una vez el famoso divulgador científico Carl Sagan. En caso haya vida extraterrestre, ¿cómo sería? ¿iguales a nosotros? ¿de color gris, con grandes ojos, pequeña boca y comunicación telepática? ¿expertos en hacer líneas y pirámides sobre el desierto, pero muy malos manejando naves espaciales?

Lo cierto es que la única forma de vida que conocemos —y no del todo— es la que hay en nuestro planeta. Así que para tener una primera aproximación de cómo sería la vida extraterrestre, debemos tomar como base los requerimientos y limitaciones propios de la vida en la Tierra.

Ilustración artística de un exoplaneta, en un sistema solar binario, visto desde su luna. Fuente: Wikimedia Commons.

De vez en cuando, la NASA anuncia el descubrimiento de nuevos exoplanetas en estrellas distantes. Hay una sonda espacial dedicada a tiempo completo a encontrarlos. Se llama Kepler y hasta ahora halló más de 2600, muchos de ellos gigantes gaseosos que orbitan muy cerca de sus estrellas, convirtiéndolos literalmente en infiernos. Hay unos pocos que son sólidos y giran a una distancia prudente de su sol. Estos planetas tendrían las condiciones adecuadas para albergar vida tal como la conocemos.

¿Cuáles son las condiciones mínimas que debe tener un exoplaneta (o una exoluna) para que florezca la vida? Para el científico planetario Christopher McKay del Centro de Investigación Ames de la NASA, la vida requiere principalmente de energía, carbono, agua líquida y algunos otros elementos químicos, según reporta en un estudio publicado en PNAS.

Fuentes de energía

La energía necesaria para la vida en la Tierra se sustenta en la transferencia de electrones a través de reacciones químicas de oxidación (ceder electrones) y reducción (ganar electrones). Esto provoca una acumulación de carga electroquímica a un lado de la membrana celular (en el caso de las bacterias) o de la membrana mitocondrial (en las células eucariotas). Para equilibrar las cargas, los protones (cargas positivas) fluyen a través de la membrana generando energía que es aprovechada por las células para realizar sus funciones.

La principal fuente de energía es la luz solar. Los fotones que llegan desde el sol generan una transferencia de electrones en unas moléculas especiales: la clorofila en las plantas, y la bacterioclorofila y bacteriorodopsina en las bacterias. También hay microorganismos que obtienen energía directamente de algunas reacciones químicas como la oxidación de compuestos reducidos de azufre, nitrógeno, hierro e hidrógeno, en las fumarolas del fondo marino. Sin embargo, la principal fuente de energía es la luz de una estrella.

Los picos indican la longitud de onda de la luz que absorben la clorofila A y B. El verde no se absorbe y es ese el color que vemos en las plantas. Fuente: Wikimedia Commons.

En el año 2000, el botánico John Albert Raven calculó que la cantidad mínima de luz necesaria para realizar la fotosíntesis es de 2 milimoles de fotones por cada metro cuadrado de superficie por cada segundo (2 mmol*m^-2*s^-1). Plutón, que hasta hace unos años era el planeta más distante del sol (ahora es solo un simple objeto transneptuniano), recibe un flujo de luz solar 100 veces superior a ese valor mínimo. Entonces, no es necesario que un exoplaneta esté cerca a su estrella o que la estrella sea muy brillante para alcanzar la cantidad de luz necesaria para sustentar un tipo de fotosíntesis. Incluso una estrella del tipo M lo podría hacer.

El carbono no es abundante

La vida en la Tierra se basa en el elemento número seis de la tabla periódica: el carbono. Es un átomo tan versátil que puede unirse y contorsionarse hasta con cuatro elementos diferentes, formando largas cadenas y moléculas complejas. Pero el carbono en la Tierra no es abundante y no sería un buen indicio para determinar la habitabilidad de un exoplaneta. El secreto radica en cómo podemos asimilar ese carbono. Las plantas lo hacen todo el tiempo a partir del CO₂ y algunas bacterias a partir de metano (CH₄).

Proporción de carbono respecto a otros elementos químicos (del litio para arriba) en los distintos planetas del sistema solar. La Tierra es el tercero (círculo con una cruz al medio). Al mismo nivel pero con mayor proporción de carbono se encuentran los seres vivos. Fuente: PNAS.

Se ha especulado mucho acerca de la vida basada en el silicio, especialmente en las historias de ciencia ficción, debido a su similaridad química con el carbono. Siento defraudarlos: el silicio no serviría para formar seres vivos por tres razones:

1. El carbono asimilable está en forma de CO₂ o CH₄, los cuales son gases que pueden entrar y fluir libremente través de las membranas. El silicio también puede encontrarse como dióxido (SiO₂), pero es un sólido. Necesita 2230 °C para convertirse en un gas. Esto hace imposible que los organismos vivos los puedan incorporar directamente.
2. El silicio y el dióxido de silicio son muy poco solubles en agua. Esto dificulta las diversas reacciones bioquímicas, a menos que la forma de vida extraterrestre encuentre la manera de solubilizar el silicio o vivir a temperaturas superiores a los 2230 °C.
3. El átomo de silicio es muy grande lo cual limita su flexibilidad para formar compuestos anillados que son comunes en los azúcares y algunos aminoácidos.

El agua es vida

El agua es uno de los mejores solventes —y de los más abundantes— que existe en la naturaleza. Las reacciones bioquímicas aquí se llevan a cabo sin problemas. Pero el agua debe estar en forma líquida para poder cumplir con estas funciones y esto depende de la presión y la temperatura del planeta o luna.

Muchos organismos pueden vivir a temperaturas bajo cero gracias a las sales y otros compuestos químicos dentro de sus células que reducen el punto de congelamiento del agua en varios grados. El año pasado, Nadia Mykytczuk de la Laurentian University (Canadá), reportó presencia de vida en el permafrost del Ártico a -15 °C. El microorganismo se llama Planococcus halocryophilus y puede vivir incluso a -25 °C. El secreto: proteínas con aminoácidos más flexibles y ácidos grasos ramificados para mantener la fluidez y movimiento a bajas temperaturas.

Otros viven a temperaturas sumamente altas. En 2008, el japonés Ken Takai reportó el crecimiento de una bacteria productora de metano llamada Methanopyrus kandleri a 122°C y a 200 veces la presión atmosférica. Una mayor presión permite tener agua líquida estable a temperaturas superiores a su punto de ebullición (100 °C). Sin embargo, a medida que aumenta la temperatura del agua, su constante dieléctrica se reduce (p. ej. a la mitad a 200 °C), llegando al punto de disolver las grasas que conforman las membranas celulares.

No es necesario que hayan grandes océanos para que la vida florezca. En lugares tan secos como el desierto de Atacama en Chile, una cianobacteria llamada Chroococcidiopsis puede sobrevivir debajo de la superficie de las rocas, entre los cristales de sal, que capturan la humedad del aire mediante un fenómeno llamado delicuescencia. Basta que la humedad relativa alcance el 70% unas pocas veces al año para que sobrevivan.

Capa verdosa de cianobacterias justo debajo de la superficie de una sal de roca del desierto de Atacama. Fuente: PNAS.

Y no solo eso

El nitrógeno y el oxígeno también son elementos claves para la vida. Conforman casi todas las biomoléculas, desde el ADN hasta las proteínas. El nitrógeno debe estar en una forma que sea asimilable (nitratos o amonio). Esto se logra en los volcanes y con las descargas eléctricas. El oxígeno gaseoso (O₂) es indispensable para la vida de organismos multicelulares, pero no para las simples bacterias. Su presencia en algún planeta o luna podría ser un buen indicio de alguna forma de vida compleja porque este elemento normalmente se encuentra formando óxidos.

También existen microorganismos que resisten altas dosis de radiación. El más famoso es Deinococcus radiodurans que además resiste la desecación. Esto indicaría que no es indispensable la presencia de un campo magnético alrededor de un planeta para sustentar la vida. La propia atmósfera a veces es suficiente para prevenir que la radiación alcance la superficie. Y si la radiación la alcanza, habrá organismos que la puedan tolerar y adaptarse a ella.

No es descabellado pensar que otros solventes distintos al agua puedan sustentar la vida. En Titán —una de las lunas de Saturno— probablemente existan lagos de etano o lluvias de metano. Estos hidrocarburos podrían ser mejores que el agua para manejar la compleja reactividad química de los compuestos orgánicos.

Como podemos ver, la vida en la Tierra se desarrolla en los lugares más extremos. No es necesario buscar un planeta azul como el nuestro, con temperaturas de 25 °C y lluvias refrescantes de vez en cuando, para poder encontrar lugares propicios para la vida. Un planeta sin atmósfera, sin océanos, muy cálidos o fríos, podrían fácilmente albergar diversas formas de vida.

Referencia:

McKay, C. Requirements and limits for life in the context of exoplanets. PNAS (2014) doi: 10.1073/pnas.1304212111

Artículo publicado originalmente el 13 de junio de 2014 en Expresión Genética del diario El Comercio.

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Los delfines que tenían sexo frente al espejo

Alguna vez viste a tu gato pasar frente a un espejo y brincar del susto, o a tu perrito ladrarle a su propio reflejo. ¿Son conscientes de que son ellos mismos? 

En 1882 Wilhelm Preyer escribió un libro llamado El alma del niño donde hace una descripción detallada del desarrollo psicológico de su hijo Axel en sus tres primeros años de vida. Preyer quiso saber cuándo tomamos conciencia de nuestro propio cuerpo. Hizo pequeños experimentos poniendo a niños de diferentes edades frente a un espejo. En 1889 postulaba por primera vez la conexión entre el autorreconocimiento en el espejo y el sentido interno de uno mismo en las personas. 

A fines de la década de 1960, el Dr. Gordon Gallup Jr. hizo experimentos similares, pero con chimpancés. Él trabajaba en la Universidad Tulane, en Louisiana (EEUU), donde se realizaban investigaciones biomédicas con estos simios.

Un día, Gallup consiguió dos chimpancés y los puso dentro de unas jaulas con un espejo al frente por ocho horas diarias durante diez días. Las jaulas tenían una pequeña ranura por donde el investigador veía lo que sucedía.

Al inicio los chimpancés se sentían amenazados por su imagen reflejada en el espejo. Creían que se trataba de otro chimpancé y les hacían gestos desafiantes, gruñidos o trataban de golpearlos. Con el paso de los días, los simios mostraron otra actitud hacia sus reflejos. Usaron los espejos para analizar sus propios cuerpos, especialmente, las regiones inaccesibles para su campo de visión: se tocaban e inspeccionaban sus genitales, se sacaban restos de comida de entre sus dientes o partículas extrañas dentro de sus fosas nasales. Incluso hacían burbujas con su saliva frente a los espejos. Esto fascinó a Gallup, pero necesitaba una prueba más convincente que demostrara que los chimpancés lograban reconocerse a sí mismos frente al espejo. 

En un segundo experimento, Gallup anestesió a los chimpancés y mientras dormían les pinto una ceja y la punta de la oreja opuesta con tinta roja para ver si eran capaces de reconocer las manchas. Cuando despertaron, les dio tiempo a los chimpancés para ver si sentían algo raro en sus cejas y orejas que podrían alterar el experimento. Los simios no se percataron de nada. Después de una horas, Gallup colocó los espejos en las jaulas y, según lo esperado, los chimpancés empezaron a mirarse las manchas, a tocarlas y ver si la pintura quedaba impregnada en sus dedos. "Fue tan claro como el día", recuerda, "no requirió ninguna prueba estadística". El estudio fue publicado en enero de 1970 en Science.

Gallup no sólo experimentó con chimpancés. También lo hizo con monos, pero estos no respondían de la misma manera. Concluyó que la habilidad de reconocerse no depende de la capacidad de aprendizaje (unos más lentos que otros) sino de su capacidad intelectual, la cual es mayor cuanto más relacionados con los humanos estén.

Los experimentos con animales no quedaron ahí. A inicios de la década de 1990, Gallup llegó a la Universidad Estatal de Nueva York (EEUU) y animó a su estudiante de doctorado, Lori Marino, a que siga con sus investigaciones. Marino se interesó en otro mamífero considerado muy inteligente: el delfín cuello de botella. Contactó a Diana Reiss quien trabajaba en un parque acuático en California y juntos estudiaron el comportamiento de estos cetáceos frente a los espejos.

Los resultados, publicados en el 2001 en PNAS, fueron sorprendentes. Los delfines también se reconocían en las superficies reflejantes. "Tenían sexo unos con otros frente a los espejos", comenta Marino, quien ahora cuenta con varias cintas pornográficas de delfines bajo su colchón (es broma). Y no solo eso, cuando les ponían manchas de pintura negra en el cuerpo, los delfines las analizaban frente a los espejos.

Hay investigadores que critican estos estudios y sus conclusiones. Uno de ellos es Daniel Povinelli. Él menciona que no necesariamente los chimpancés tienen conciencia de que son ellos los que están en el espejo; sino que sólo ven un cuerpo en la imagen —que no necesariamente es él— pero que hace los mismos gestos y movimientos. El animal puede establecer cierto tipo de conexión que les diga que si la imagen en el espejo tiene una mancha en el cuerpo, él también lo tendrá.

Povinelli llama a todo esto "psicología popular" que básicamente es hacer inferencias no científicas en base a nuestras experiencias humanas. Por ejemplo, cuando uno se lava los dientes, ¿será la misma parte del cerebro la que razona que somos nosotros los que estamos proyectados en la imagen del espejo y la que mueve nuestras manos hacia los dientes para el cepillado? Tener conciencia de uno mismo tal vez es diferente a saber donde están ubicadas las partes de nuestro cuerpo.

Lo cierto es que ni siquiera contamos con una definición consensuada y científicamente válida de conciencia, así que las discusiones en el campo de la psicología comparativa tienen para rato.

¿Y qué pasa con los perros? Pues ellos fallaron el test del espejo. Es decir, no se autorreconocen. Lo que hacen es ladrar a su imagen o invitarlos a jugar como si fueran otros perros. No obstante, si pueden reconocer su propia pis.

Curiosidad: Se dice que un buen porcentaje de los esquizofrénicos no pueden reconocerse en el espejo.

Fuente: Nautilus.

Artículo publicado originalmente el 27 de mayo de 2014 en Expresión Genética del diario El Comercio.

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