Biotecnología Azul

MARINA

La biotecnología azul o biotecnología marina es una disciplina basada en el estudio, a través de técnicas biotecnológicas, de las propiedades de los organismos marinos, sus genomas o sus productos derivados para su futura aplicación como soluciones en diferentes campos tales como la agricultura, productos y procesos industriales, energía y salud.

La biotecnología marina también juega un papel imprescindible en la protección, conservación y conocimiento del medio ambiente y la biodiversidad.

La biotecnología azul se está convirtiendo en un componente altamente importante del sector biotecnológico. España, al ser un país rodeado de mar, posee una larga experiencia en biología marina, y el conocimiento de su biodiversidad es un gran atractivo para cualquier iniciativa de I+D en el sector.

Ámbitos de aplicación

Suministro de alimentos

La Biotecnología marina es esencial para satisfacer la creciente demanda de productos de demanda alimenticia. El rápido progreso biotecnológico ha derivado en el desarrollo eficiente y ambientalmente responsable de la acuicultura así como en una mayor diversidad de productos alimenticios marinos y a un mejor control de estos procesos.

La biotecnología marina ha contribuido a incrementar la producción eficiente y la calidad de los productos a través del cultivo intensivo de nuevas especies y el desarrollo de prácticas sostenibles para un mejor conocimiento de las bases moleculares y fisiológicas de reproducción, desarrollo y crecimiento de las especies.

Suministro de energía

El océano es fuente de energía sostenible. A pesar de las dificultades técnicas y económicas de este tipo de energía, son ya muchos los ejemplos de producción de bio-energía derivada de la energía potencial térmica y del movimiento de los mares así como de organismos marinos que viven en los océanos.

Además, la biotecnología se emplea para la obtención de Bioenergía. En este sentido, actualmente existen proyectos que emplean microalgas como fuente de Bioetanol y Biodiesel que contribuyen además a fijar CO2.

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Procesos industriales

Las proteínas y las enzimas provenientes de organismos marinos han contribuido significativamente en la biotecnología industrial y procesos de desarrollo en la industria alimenticia y farmacéutica, así como en la biología molecular y los kits de diagnóstico.

Los biopolímeros, por ejemplo, tienen una gran cantidad de aplicaciones en la elaboración de plásticos biodegradables, aditivos alimenticios, polímeros médicos, gasas y vendajes, bio-adhesivos, biomateriales de uso dental y regeneración de tejidos. Una firma de neumáticos ha desarrollado, por ejemplo, unas ruedas ecológicas de biocaucho, fabricado a partir de algas verdes marinas.

De algas marinas se obtiene el alginato y agar-agar, sustancias químicas con múltiples aplicaciones industriales.

Investigación medioambiental

A través del uso de diferentes técnicas biotecnológicas es posible contribuir a la investigación y resolución de los principales problemas de contaminación y deterioro medioambiental.

Esto se lleva a cabo a través de técnicas como la biorremediación, el biofouling, la biodegradación, la fitorremediación, y el control de aguas, plagas o cultivos.

La biotecnología contribuye, además, al conocimiento de las diferentes formas de vida existentes en nuestras costas y al análisis del medio ambiente y el grado de contaminación.

Salud y aplicaciones médicas

El mar es una gran fuente de nuevos potenciales medicamentos, tratamientos innovadores y herramientas de diagnóstico. Actualmente existen más de 20 fármacos de origen marino en diferentes procesos de desarrollo clínico, la mayoría en el área de oncología, y algunos ya en el mercado.

Tres de ellos son para tratamientos de ciertos tipos de cáncer y uno para analgesia.

La industria de la cosmética también es un sector prometedor para nuevas aplicaciones de compuestos de origen marino.

Biodiversidad Marina

El concepto biodiversidad, derivado de las palabras Biología (estudio de la vida) y diversidad (variedad), hace referencia al número de especies que componen un determinado ecosistema o área geográfica.

Los Océanos representan el hábitat más extenso de la Biosfera, constituyendo el Bioma más grande de la tierra ya que cubre el 71% de su superficie. Los Océanos han sido el escenario de la diversificación de la vida desde sus inicios a lo largo de más de 3.500 millones de años de evolución.

Aunque existen varios miles de especies descritas, se estima que es un número muy por debajo de la población real existente, fundamentalmente por el escaso conocimiento del entorno marino.

Niveles de biodiversidad

Diversidad genética

Hace referencia a la variación de secuencias de ADN de los seres vivos. Esto abarca poblaciones determinadas de la misma especie o la variación genética de una población.

La función de la diversidad genética es la de mantener un reservorio de condiciones -de variación- de respuesta al medio, que permita la adaptación y la supervivencia.

Diversidad de especies

Por diversidad de especies se entiende la variedad taxonómica existente.

La “diversidad taxonómica” tiene en cuenta la estrecha relación existente entre unas especies y otras.

Diversidad de ecosistemas

En este caso, la diversidad estaría representada por el número o variación de hábitats diferentes en un ecosistema que pueden estar habitados por distintas especies. Hoy en día todavía siguen descubriéndose nuevos hábitats con nuevas especies asociadas.

El Ecosistema Marino

La biodiversidad marina es capaz de sorprender a los científicos continuamente ya que año tras año, su investigación sigue proporcionando información sobre nuevas especies.

El primer Censo de Vida Marina, publicado en octubre de 2010, indica que, después de 10 años de investigación, el registro de las especies marinas conocidas ha aumentado desde alrededor de 230.000 hasta casi 250.000.

Entre los millones de especímenes obtenidos en aguas conocidas y en otras rara vez exploradas, el Censo encontró más de 6.000 especies posiblemente nuevas, entre crustáceos, moluscos, esponjas y equinodermos.

Después de todo su trabajo, el Censo aún no pudo calcular a ciencia cierta la cantidad total de especies, los tipos de vida, conocida y desconocida, que hay en el océano.

Su base de datos aún no tiene registros en absoluto para más del 20% del volumen del océano y, para algunas áreas extensas, tiene muy pocos.

Por otro lado, por su peso, hasta un 90% de la vida marina es microbiana. Se calculan en 3 x 1028 el número de formas de vida microscópicas existentes globalmente en océanos.

Ello supone que hay cien millones de veces más microorganismos que estrellas en el universo visible.

Hoy en día, las principales formas de vida existentes 12 se encuentran divididas, gracias a las herramientas biotecnológicas, en dos grandes grupos:

Eucariotas

En donde se incluyen los animales, plantas, hongos, protozoos, etc. Son células con núcleos diferenciados que contienen los cromosomas.

Procariotas

Donde encontramos bacterias típicas y Archaeas o bacterias extremófilas (microorganismos que viven en condiciones extremas).

Ambas carecen de núcleo celular y pueden presentar paredes celulares resistentes que les permiten adaptarse a cualquier entorno por muy extremo que sea.

Las Arqueas son el ejemplo perfecto de que puede existir vida en cualquier lugar del mundo, por muy inhóspito que sea. Además, son las grandes reguladoras de los ciclos de carbono (incluyendo los balances de CO2 y de oxígeno, ya que la mayor parte de la fotosíntesis se genera en el mar.

Si nosotros respiramos es gracias al efecto de ciertas microalgas que emitieron oxígeno formando la atmósfera que hoy conocemos.

El océano es uno de los ecosistemas menos estudiados pero potencialmente más activo en cuanto a la evolución de formas de vida con propiedades biológicas interesantes para el hombre.

Sin embargo, actualmente, el mar sigue siendo un gran desconocido, incluso para los más expertos,

debido a las limitaciones tecnológicas.

Las propiedades terapéuticas del ecosistema marino: cuestión de supervivencia

La evolución ha dotado a los organismos marinos de mecanismos de supervivencia, defensa, ataque y comunicación, permitiendo que desarrollen una inmensa variedad de entidades químicas de exclusiva sofisticación.

Entre éstas se encuentran moléculas con actividades biológicas potentes, desarrolladas como una forma de defensa natural para su supervivencia en un entorno extremadamente competitivo.

Esas estructuras químicas son a menudo potenciales mecanismos de acción contra enfermedades.

Si observamos dos esponjas compitiendo por un sustrato de fijación, o el empleo de defensas químicas en seres inmóviles para no ser depredados, nos daremos cuenta de que la estrategia evolutiva las ha dotado de sustancias capaces de detener el crecimiento de los rivales y ello puede aplicarse al cáncer, donde la división celular juega un papel determinante.

Pero además, la supervivencia a grandes profundidades conlleva estructuras capaces de resistir más de cien atmósferas de presión conservando su capacidad vital en el caso de ciertas esponjas, y podemos utilizar biomateriales en trasplantes óseos.

Si a esto le añadimos el gran contenido de simbiontes marinos (microorganismos que viven en estrecha relación con invertebrados), se abren eficaces vías de estudio para identificar nuevas moléculas con actividad en salud humana.

El gran reto de la biotecnología marina está en cultivar estos microorganismos en el laboratorio para estudiar sus propiedades o bien estudiar directamente los genes responsables de moléculas bioactivas.

Estudio de la Biodiversidad Marina

La mayoría de los antiguos remedios se basaban en extractos de plantas que llevaron al descubrimiento de medicamentos muy importantes, como la aspirina.

El descubrimiento de la penicilina en 1930 introdujo fuentes microbianas en el descubrimiento de productos naturales biológica y terapéuticamente relevantes, como lo fueron los antibióticos, seguido por un lento pero constante progreso en el descubrimiento de productos naturales derivados de organismos marinos.

Se han descrito más de 20.000 compuestos marinos, muchos de ellos con actividad antitumoral

El inicio de la investigación biomarina y el origen del concepto de fármaco de origen marino en el mercado, se remontan a los descubrimientos de Bergmann y la identificación de un determinado tipo de esponja marina (Cryptotethya crypta) en el mar Caribe, en la primera mitad de los años 50.

De ella se extrajeron compuestos con propiedades anti leucémicas.

Este hallazgo aumentó el interés en los recursos de origen marino.

La principal pregunta en la que biólogos y químicos  basaban sus investigaciones era: cómo los organismos marinos pueden defenderse de enfermedades y ataques en un hábitat tan competitivo.

Organismos marinos más prometedores como fuentes de nuevos fármacos

Hoy la biodiversidad marina se ha convertido en una potente opción de investigación de enfermedades tan importantes como el cáncer o el Alzheimer.

Los organismos marinos más prometedores como fuentes de nuevos fármacos son los siguientes:

Invertebrados

Principalmente esponjas y corales. La ventaja de este tipo de organismos es el amplio rango de defensas químicas que desarrollan.

   

Microorganismos

Especialmente, Actinomicetos y los hongos marinos son los más prolíficos en el desarrollo de nuevos compuestos bioactivos.

Aunque se encuentran en todo tipo de hábitats, se estima que la ciencia sólo es capaz de cultivar una mínima parte del total existente.

ADN ambiental (Metagenoma): la aproximación metagenómica hace referencia a la exploración marina del ADN ambiental en busca de genes

interesantes sin necesidad de cultivar células.

Aunque hoy en día todavía no es posible obtener nuevas moléculas de esta forma, los científicos confían en el prometedor futuro de este tipo de

investigación.

Moléculas marinas bio-activas y nuevas moléculas optimizadas

La mayoría de los ejemplares marinos contienen una gran cantidad de diferentes metabolitos. Sin embargo no todos presentan actividad in vitro, es decir, no todos son bioactivos.

Una vez descubierta una molécula con actividad sobre una diana que sea clave en el desarrollo de una enfermedad, se inicia todo un proceso de investigación que va desde la elucidación de su estructura molecular, valoración de sus actividades in vitro (en células) e in vivo (en animales), hasta su desarrollo para producirla en laboratorio como medicina.

Además, aunque un compuesto pueda tener actividad in vitro, es altamente improbable que reúna todos los requisitos y características físico químicas y biológicas requeridas para su conversión en un medicamento, sino que estas moléculas bioactivas necesitan un proceso de optimización que puede derivar en modificaciones estructurales para potenciar ciertas propiedades.

De esta forma se crean nuevas moléculas con una estructura nueva y optimizada, pero basada en la estructura de la molécula natural.

PROCESO DE DESARROLLO DE FÁRMACOS DE ORIGEN MARINO

Hay compañías biotecnológicas que basan su actividad en la búsqueda de novedosos tratamientos frente al cáncer y enfermedades del Sistema Nervioso Central.

La actividad investigadora son  sus  mayores  contribuciones  a la sociedad presente y futura y la tecnología que han desarrollado para llevar a cabo el desarrollo de fármacos de origen marino se detalla a continuación como ejemplo de cómo las  compañías con visión innovadora han conseguido ser pioneras a nivel mundial en biotecnología marina.

El proceso de descubrimiento de medicamentos empieza con la búsqueda de muestras marinas. Unos pocos gramos de muestra proporciona la cantidad suficiente de moléculas diferentes para la elucidación de su estructura química e iniciar pruebas in vitro.

Si se trata de estudiar microorganismos asociados, basta un gramo para obtener miles de bacterias diferentes.

Bio Prospecciones

La bioprospección marina estudia nuevos extractos de invertebrados y microorganismos. La recolección y estudio de la biodiversidad marina se hace a través de diferentes expediciones marinas alrededor de todo el mundo, sujetas a rígidas normativas de protección, conservación y uso sostenible de los recursos marinos.

Las expediciones en busca de biodiversidad marina se llevan a cabo a través de diferentes técnicas y plataformas cada vez más sofisticadas.

Así, estas bio prospecciones pueden utilizar barcos, vehículos submarinos autónomos o dirigidos por control remoto y a través de las técnicas de buceo.

En estos casos, la búsqueda se realiza de forma selectiva y manual. Las expediciones se dirigen a través un equipo de biólogos marinos y buzos profesionales.

Colección de muestras y trazabilidad

Los organismos recogidos en las expediciones son clasificados asignandoles un código externo “in situ”, recopilando la máxima información posible asociada a cada una de las muestras, destacando aspectos como la clasificación taxonómica, imágenes del organismo en su hábitat, la localización de la zona explorada (datos GPS) o las características del hábitat de desarrollo del organismo.

Las muestras son inmediatamente congeladas de manera individual para conservar así íntegras todas sus características químicas.

Cuando los organismos llegan a los laboratorios, es muy importante garantizar la trazabilidad de las muestras desde su origen hasta su estudio final.

Por ello se vuelca toda la información asociada a las muestras recogida en las expediciones, a la base de datos de los  laboratorios para que un sistema informático pueda automáticamente asignar a cada muestra recogida un número asociado a su vez a un código de barras, a través del cual se puede conocer toda la información ligada a cada una de las muestras utilizando un scanner.

Microbiología

La palabra se compone de de mikros “pequeño”, bios “vida” y logos “estudio”. Las diferentes disciplinas de la microbiología estudian diversos aspectos, como por ejemplo la fisiología, la genética, el genoma, taxonomía, cultivo y análisis de metabolitos producidos por los organismos.

Para el descubrimiento de nuevos compuestos con actividad antitumoral se implementan diferentes estudios microbiológicos desarrollados en los laboratorios de I+D.

Esto se realiza a partir del aislamiento y cultivo de los microorganismos marinos, que se caracterizan atendiendo a la huella genómica para obtener una colección única de bacterias, especialmente filamentosas, llamadas actinomicetos.

Para ello, se emplea un proceso de análisis de la huella genética de cada microorganismo para descartar los que sean repetidos (PCR y DNA fingerprinting). Posteriormente se realiza la identificación taxonómica y la selección de microorganismos de interés para cultivar.

La valoración de esas muestras para ver si contienen sustancias antitumorales y el uso de diferentes técnicas analíticas permiten determinar que los extractos extraídos para el estudio no contienen moléculas ya estudiadas sino que son totalmente nuevas.

Screening de actividad tumoral

Las técnicas de screening están dirigidas al rastreo masivo de las muestras marinas para la identificación de actividad citotóxica y/o citostática frente a células tumorales de origen humano en ensayos in vitro. Asimismo, se realiza el bio seguimiento de la actividad antitumoral durante el

proceso de fraccionamiento químico que conduce a la identificación y purificación de las entidades químicas responsables de la actividad biológica.

Para ello, los extractos son evaluados en un panel de células tumorales humanas con el fin de determinar la actividad antitumoral.

Los extractos que resultan positivos en el ensayo biológico son fraccionados para aislar los compuestos responsables de esa actividad antitumoral.

Screening de mecanismo de acción (MoA)

En el proceso de Screening también se estudian los mecanismos celulares y moleculares.

En primer lugar, se delinean los efectos generales de los compuestos sobre procesos y/o estructuras celulares básicas como son el ciclo celular, el citoesqueleto, la mitosis, la integridad del DNA, tipo de muerte celular, etc. Por otro lado, utilizando una amplia variedad de técnicas de biología celular y molecular más específicas (citometría de flujo, microscopía confocal, silenciamiento génico, western blotting, etc), se investigan en profundidad los mecanismos de acción de los compuestos con actividad antitumoral, para definir con precisión las rutas de señalización intracelular implicadas en la inducción de la muerte celular y determinar la diana celular primaria del compuesto.

En el aislamiento se utilizan técnicas cromatográficas y técnicas instrumentales como la Resonancia Magnética Nuclear o espectrometría de masas que permiten la elucidación y determinación de la estructura de las nuevas entidades químicas antitumorales que además tiene que tener un nuevo

mecanismo de acción.

Procesos de aseguración de suministro

El principal obstáculo en el desarrollo de este tipo de medicamentos, es la dificultad en el suministro.

Evidentemente un continuo proceso de recolección de muestras para la provisión médica acabaría con la biodiversidad. Por otro lado, la concentración de la mayoría de los compuestos activos en los invertebrados marinos es minúscula, a veces menor de 10-6 % de su peso húmedo. Esto quiere decir que para obtener en algunos casos 1g de medicamento, se debería extraer casi una tonelada métrica (peso húmedo) del organismo marino.

Para solucionar este problema se ha recurrido a la síntesis química, que permite el suministro del medicamento tanto en las fases de pre clínica, ensayos clínicos y la futura comercialización del medicamento.

Estos programas de síntesis permiten la generación de análogos químicos de las moléculas activas, lo cual proporciona al investigador una información muy valiosa sobre su estructura y su mecanismo de acción que permite mejorar las propiedades farmacológicas en busca de la máxima actividad y los mínimos efectos secundarios.

Después de obtener el principio activo se estudia su posible formulación y presentación y se evalúa en modelos animales.

Ese es el inicio del estudio directo del compuesto sobre los diferentes tumores, en lo que se denomina la fase Pre clínica.

En ella se determina si el producto es seguro, de qué forma actúa contra célula tumoral, si es más efectivo sobre determinados tipos de tumores o si su eficacia mejora combinandolo con otros fármacos.

Acuicultura: Consiste en la cría o cultivo de organismos acuáticos con miras a su mayor producción. Para ello es necesario un estudio minucioso de la forma de cultivo y engorde, cría, dietas y patrones alimenticios, patologías, consecuencias en el entorno, etc.  Por ejemplo, las microalgas pueden proporcionar una fuente de alimento fresco para las especies cultivadas. De este modo, se podrán obtener dietas más adaptadas para las especies cultivadas que permitan mejorar la productividad y la calidad de las mismas. Nuevas fuentes: El mar, una de las zonas menos conocidas del planeta, es una fuente potencial de nuevas especies y moléculas con capacidad terapéuticas, cosméticas, etc.; nuevas fuentes de energía; nuevos alimentos y modelos para la descontaminación medioambiental o bioremediación; biomateriales y estructuras biodegradables… En la medicina, por ejemplo, se espera que la biotecnología azul y la investigación en biología marina contribuirán al avance mediante el desarrollo de nuevas sustancias de origen marino como compuestos bioactivos, adhesivos, anti-adhesivos, coloides biocompatibles, nanoestructuras y materiales porosos.  Asimismo, existe el potencial de descubrir nuevas moléculas que alteran la habilidad de las células tumorales de unirse y multiplicarse o dar lugar a metástasis. Además, un gran reto que se encuentran los científicos en la actualidad es que se pueden aislar una elevada cantidad de compuestos novedosos procedentes de invertebrados marinos.  Estudiar todas estas moléculas y sus actividades es muy complicado y requiere de nuevos desarrollos en aislamiento, identificación, caracterización y técnicas de screening. Algología o ficología: Su estudio y cultivo están dando como resultado muchas aplicaciones prácticas como biosensores, nuevos alimentos, remedios, cosméticos, producción de nuevos fármacos… Uno de los campos de interesantes tiene relación con los vertidos de hidrocarburos, ya que son una de las fuentes de contaminación más importantes para los océanos. Se están desarrollando nuevos dispersores, microorganismos y enzimas de origen marino que permiten controlar los vertidos y favorecer su eliminación.  Otro de los campos que están de actualidad es el de desarrollar nuevas fuentes de energía no contaminantes que ayuden a reducir las emisiones de CO2 y contribuyan al control del cambio climático. En este sentido, las microalgas y las bacterias fotosintéticas constituyen una apuesta prometedora como fuente para la obtención de hidrógeno de origen biotecnológico y para la obtención de biodiesel. A pesar de sus prometedoras perspectivas y de los productos que ya se encuentran en el mercado, la biotecnología azul se halla aún en una fase temprana de desarrollo. Queda aún mucho que investigar y mucho que conocer para poder desarrollar nuevos bienes y servicios basados en la biotecnología azul.