Importancia de la biodiversidad: flujos de materia y energía en la biosfera
Todos los seres vivos estamos interconectados mediante cadenas tróficas, que arrancan por los organismos autótrofos o productores primarios, capaces mediante el proceso de la fotosíntesis de utilizar la luz solar como fuente de energía y reducir compuestos inorgánicos como nutrientes, generando así biomoléculas orgánicas, que utilizarán después como nutrientes el resto de los organismos que conocemos como heterótrofos o productores secundarios. Así, el flujo de energía entre el medio y los seres vivos de nuestro planeta es unidireccional: parte del sol y fluye a través de los organismos fotoergónicos hasta los quimioergónicos y al final se disipa como calor y entropía. Por el contrario, el flujo de materia es un flujo cíclico: los distintos seres vivos “comparten” unos con otros la materia disponible en el planeta. El ciclo del C lleva parejo el del O y el H. También hay un ciclo de los restantes bioelementos mayoritarios: N, S, P, y cabe pensar lo mismo, aunque son más complejos de formular, para el resto de los bioelementos. Los distintos grupos de organismos nos necesitamos pues unos a otros para compartir y reciclar los átomos y moléculas de los que estamos hechos y necesitamos para la vida. Sin embargo, las cifras de destrucción de la biodiversidad en la actualidad son alarmantes, hasta el punto que algunos autores lo refieren como la sexta extinción.
La crisis del medio ambiente y la cultura de la sostenibilidad
Implicaciones para la Química
En el análisis de las causas de dicha pérdida de biodiversidad cobra un papel predominante la propia actividad humana sobre el planeta: el factor antropogénico. La alta tasa de residuos y contaminación, el efecto invernadero y el cambio climático, son claros exponentes de esta cruda realidad, que va asociada en parte a modelos de desarrollo basados en el consumo desmesurado, la opulencia y el despilfarro de recursos, y que son también responsables a su vez de las grandes desigualdades económicas existentes entre los países y que generan una gran inestabilidad a nivel mundial. Es necesario un nuevo modelo de desarrollo, denominado desarrollo sostenible, que posibilite satisfacer las necesidades del presente sin comprometer la capacidad de las generaciones futuras de satisfacer las propias, y que integre adecuada y equilibradamente los aspectos sociales, económicos y medio ambientales para un desarrollo armónico de estos tres componentes. Este modelo de desarrollo pasa necesariamente a nivel de los individuos por un cambio en los modos de vida. También la Ciencia ha de contribuir desde sus propios paradigmas a este modelo de desarrollo. Existe todo un área de actividad dentro de la Química, denominada Química Verde, que trata de hacer aportaciones importantes para satisfacer una producción y actividad de la Química más compatible y respetuosa con el medio ambiente. Igualmente, la Bioquímica y la Biotecnología ofrecen nuevas soluciones a los problemas medioambientales existentes.
Posibilidades biotecnológicas para la protección del medio ambiente
La biotecnología ofrece también nuevas posibilidades para paliar los efectos de la crisis del medio ambiente en los más diversos ámbitos, como son la biorremediación de contaminantes, medidas de contaminación (biosensores) y prevención de residuos, conocimiento y desarrollo de nuevas especies vegetales resistentes a estrés abiótico y biótico, agricultura sostenible, las nuevas industrias de biocarburantes, etc.
Biocombustibles
Como alternativa a los combustibles fósiles se están empleando técnicas biotecnológicas para la producción de biocombustibles. El biodiesel es un combustible líquido que se obtiene a partir de lípidos naturales (por ejemplo aceites usados).
Otro biocombustible que se utiliza actualmente es el bioetanol, es etanol obtenido a partir de la fermentación de biomasa vegetal, que también puede ser obtenido por destilación a partir de algas cultivadas en fotobiorreactores. El bioetanol puede ser añadido en distintas porcentuales a la gasolina normal.
Biorremediación
La biorremediación es un proceso que utiliza seres vivos como microorganismos y plantas para la recuperación de un medio ambiente alterado por contaminantes. Algunos ejemplos son la utilización de bacterias modificadas genéticamente para metabolizar compuestos tóxicos (petróleo, tolueno) o el cultivo de plantas tolerantes a metales pesados para la descontaminación de vertidos industriales.
Virus
Los virus no tienen un metabolismo propio y utilizan la maquinaria de las células infectadas para reproducirse, por lo que se sitúan en la frontera entre lo que puede considerarse un ser vivo o bien considerarse como seres vivos acelulares parásitos. Fundamentalmente los virus están constituidos por una molécula de acido nucleico que lleva la información para producir nuevas moléculas de virus, envuelta por una capsula (cápside) proteica. El acido nucleico que lleva la información genética del virus puede ser DNA, como en el caso de los virus del herpes o de la viruela, o RNA como en el caso de los virus que causan el SIDA y la gripe. Existen virus con DNA o RNA monocatenarios o bicatenarios. Algunos virus son específicos para bacterias (bacteriófagos o fagos) y otros, para células vegetales, animales o humanas. Para la industria farmacológica resulta particularmente difícil diseñar fármacos contra las infecciones virales ya que los virus no tienen rutas metabólicas distintas de las de la célula huésped y no pueden ser bloqueados a través de los antibióticos.
Por esta razón es de gran interés el conocimiento de los procesos específicos inherentes a los ciclos de vida de los virus causantes de enfermedades, y, particularmente, el virus del SIDA (HIV), y la búsqueda de nuevos fármacos capaces de interferir con dichos procesos.
Uso de anticuerpos para investigación, diagnóstico y tratamiento
Los anticuerpos son también herramientas muy valiosas de trabajo en técnicas analíticas o de diagnóstico de los correspondientes antígenos, tales como el ELISA o el Western blot (inmunoblot). Pueden usarse anticuerpos policlonales que reconocen diferentes determinantes antigénicos, o anticuerpos monoclonales, específicos para un determinante antigénico particular. Los anticuerpos monoclonales son producidos por una célula híbrida producto de la fusión de un clon de linfocitos B descendiente de una sola y única célula madre y una célula plasmática tumoral. Diferentes anticuerpos monoclonales se utilizan para el tratamiento del cáncer gracias a la capacidad de los anticuerpos de reconocer específicamente las células cancerosas.
Inmunidad: anticuerpos y vacunas
El sistema inmunitario es exclusivo de los vertebrados superiores y funciona distinguiendo entre lo propio y lo no propio del organismo. Cada molécula (o célula o virus) que no pertenece al organismo (el antígeno) puede ser reconocida como tal y bloqueada por la unión de anticuerpos. Los anticuerpos son proteínas de gran tamaño, producidas por las células del sistema inmunitario, que reconocen las estructuras no pertenecientes al organismo y se unen a ellas. La unión del anticuerpo al antígeno señala a las células del sistema inmunitario que el antígeno no pertenece al organismo y tiene entonces que ser destruido. Una vez que el sistema inmunitario ha destruido un determinado antígeno, parte de las células que han producido anticuerpos permanecen a lo largo de la vida como células de memoria, confiriendo al organismo la inmunidad contra este antígeno (defensa frente a futuros contagios y/o enfermedades asociadas).
Las vacunas utilizan esta característica del sistema inmunitario para conferir la inmunidad al organismo sin que éste tenga previamente que padecer la enfermedad. Una vacuna es una preparación del antígeno que causa respuesta inmunitaria pero no causa la enfermedad. Para eso se utilizan por ejemplo bacterias muertas o debilitadas a través del calor o de tratamientos químicos. Sin embargo, la producción de este tipo de vacunas conlleva riesgos ya que si la bacteria o el virus no esta completamente muerto o inactivado, la suministración de la vacuna puede causar la enfermedad. La biotecnología ha sido de gran ayuda para la producción de vacunas más seguras. Por ejemplo la vacuna contra el virus de la hepatitis B se obtiene gracias a células de levadura manipuladas genéticamente para producir proteínas de la envoltura del virus. La inyección de una preparación de proteínas de la envoltura del virus de la hepatitis B confiere la inmunidad sin peligro de transmitir la infección.
Sobreproducción e ingeniería de proteínas
Las técnicas de ingeniería genética han posibilitado ya la producción industrial de un amplio elenco de proteínas de interés farmacológico, actividad que se inició con la producción por bacterias de insulina humana. Han de utilizarse así los denominados vectores de expresión, que posibilitan la sobreexpresión en un microorganismo del fragmento de DNA que codifica para la proteína de interés. De esta manera se logra la sobreproducción de proteínas cuya producción sería altamente costosa si ésta se hiciese a partir de los propios hospedadores naturales. Las técnicas de DNA recombinante como la mutagénesis dirigida, galardonada con el Premio Nobel de Química, posibilita la producción de proteínas mutantes, en las que se han reemplazado determinados aminoácidos con determinados propósitos como puede ser mejorar la eficacia catalítica o la estabilidad proteica, resistencia a inhibidores, menor antigenicidad, etc. Esta actividad se conoce como ingeniería de proteínas.
Aplicaciones médicas y forenses
Las técnicas de secuenciación y análisis del DNA se están aplicando en la actualidad para numerosas aplicaciones como la detección de enfermedades hereditarias, la medicina forense (pruebas de DNA), y la terapia génica.
Terapia génica
La terapia génica consiste en la inserción de una copia funcional normal de un gen defectivo o ausente en el genoma de un individuo en las células de los tejidos del individuo con el objetivo de restaurar la función normal del tejido y así eliminar los síntomas de una enfermedad. De momento son contados los casos donde se ha conseguido la curación de un paciente a través de la terapia génica.
Organismos transgénicos
Un organismo transgénico es un organismo que ha recibido, mediante técnicas de ingeniería genética, DNA proveniente de otra especie.
Plantas transgénicas
Las plantas transgénicas son relativamente más fáciles de obtener que los animales transgénicos, y varios de estos organismos se cultivan ya a nivel mundial. La adición de un gen de otra especie sirve para aumentar la resistencia de la planta o para aumentar el valor nutritivo del producto.
Existen diferentes técnicas que permiten introducir un gen foráneo en una planta con el fin de crear una planta transgénica. Una pequeña herida en una hoja se puede utilizar para infectar la planta con una bacteria de la tierra llamada Agrobacterium tumefaciens. Esta bacteria contiene un plásmido capaz de integrarse en el DNA genómico de la célula vegetal. Si se introduce un transgén en el plásmido bacteriano y se regenera la planta a partir de las hojas infectadas se obtendrá una planta transgénica. Se puede también utilizar una pistola de genes (o gene gun) para bombardear literalmente una célula vegetal embrionaria con diminutos proyectiles metálicos cubiertos de DNA. Varios tipos de plantas transgénicas se cultivan actualmente en el campo.
Existen cultivos resistentes al herbicida glifosato, de forma que la aplicación del compuesto en el campo provoca la muerte de las malas hierbas pero no del cultivo transgénico. El barrenador europeo del maíz y el gusano del copo de algodón son dos plagas que pueden provocar importantes pérdidas en las cosechas. Se han desarrollado plantas transgénicas de maíz y algodón resistentes a estas plagas ya que producen la toxina bacteriana Bt (de Bacillus thuringiensis), inocua para los humanos y los pájaros pero letal para la plaga. Entre muchos otros ejemplos se pueden citar los tomates con la maduración bloqueada.
Animales transgénicos
Las técnicas para obtener animales transgénicos van desde la inyección directa del DNA en las células reproductivas hasta la utilización de virus para transportar el gen dentro de las células diana. Se han obtenido con éxito diferentes organismos transgénicos, desde ratones hasta vacas y monos. Las aplicaciones de estas técnicas van desde el aumento del tamaño, como el caso de peces comestibles, hasta aplicaciones más complejas para la producción de fármacos.