Organismos marinos que podrían transformar la medicina

Introducción

Durante mucho tiempo, el océano fue considerado principalmente un ecosistema que debía estudiarse desde la perspectiva de la biodiversidad. Sin embargo, la investigación moderna ha revelado algo mucho más interesante: los organismos marinos producen una enorme variedad de moléculas químicas que no se encuentran fácilmente en organismos terrestres.

Estas moléculas pueden cumplir funciones de defensa, comunicación, competencia o adaptación al ambiente. Algunas también presentan propiedades que podrían ser aprovechadas por la medicina.

Esponjas, corales, moluscos, algas, bacterias y otros microorganismos marinos han producido compuestos que están siendo investigados como posibles tratamientos contra el cáncer, infecciones y otras enfermedades.

El océano, en este sentido, puede considerarse una enorme biblioteca química todavía parcialmente explorada.

1. ¿Por qué los organismos marinos producen moléculas tan interesantes?

El ambiente marino presenta condiciones muy diferentes a las de los ecosistemas terrestres.

Los organismos tienen que competir por espacio, alimento y recursos en ambientes donde muchas especies viven extremadamente cerca unas de otras.

Además, numerosos organismos marinos carecen de estructuras defensivas evidentes.

Una esponja marina, por ejemplo, no puede escapar fácilmente de un depredador.

En lugar de depender únicamente de estructuras físicas, algunas especies producen metabolitos secundarios, moléculas que pueden actuar como mecanismos químicos de defensa.

Estas sustancias pueden:

• Ahuyentar depredadores.
• Impedir que otros organismos crezcan sobre ellas.
• Combatir microorganismos.
• Interferir con procesos celulares.
• Alterar sistemas de comunicación biológica.

Precisamente algunas de estas propiedades son las que interesan a los investigadores biomédicos.

2. Las esponjas: una de las mayores fuentes de compuestos bioactivos

Las esponjas marinas pertenecen al filo Porifera y existen desde hace cientos de millones de años.

Aunque parecen organismos relativamente simples, producen una enorme diversidad de sustancias químicas.

Una parte importante de estos compuestos no es producida directamente por la esponja, sino por microorganismos que viven asociados con ella.

Esto convierte a las esponjas en algo parecido a pequeños ecosistemas químicos.

Los investigadores han identificado numerosos metabolitos procedentes de estos organismos y sus microorganismos asociados, algunos de los cuales presentan actividad:

• Antiviral.
• Antibacteriana.
• Antifúngica.
• Antiinflamatoria.
• Antitumoral.

La investigación de productos naturales marinos ha demostrado que estos organismos constituyen una fuente importante de moléculas bioactivas.

3. Un ejemplo extraordinario: la citosina arabinósida

Uno de los ejemplos históricos más importantes es la citarabina, un medicamento utilizado principalmente en determinados cánceres hematológicos.

Su desarrollo estuvo relacionado con compuestos descubiertos originalmente en esponjas marinas del género Tectitethya.

La citarabina es un análogo de nucleósido. Esto significa que tiene una estructura similar a determinados componentes utilizados por las células para producir ADN.

Cuando las células incorporan el compuesto, pueden producirse alteraciones que interfieren con la replicación del ADN.

Esto resulta especialmente importante en células que se dividen rápidamente.

La citarabina se convirtió posteriormente en un medicamento fundamental para el tratamiento de determinadas leucemias.

Este ejemplo demuestra que estudiar organismos marinos no consiste únicamente en buscar sustancias que "maten células cancerosas".

El objetivo consiste en encontrar moléculas que interfieran de manera específica con procesos biológicos fundamentales.

4. El océano también contiene microorganismos desconocidos

Uno de los mayores descubrimientos de la microbiología moderna es que gran parte de la diversidad microbiana del planeta todavía no ha sido cultivada y estudiada en laboratorio.

Esto es especialmente importante en el océano.

Las bacterias marinas viven en ambientes extremadamente diversos:

• Zonas abisales.
• Sedimentos.
• Arrecifes.
• Aguas polares.
• Fuentes hidrotermales.
• Regiones con concentraciones extremas de presión, temperatura o salinidad.

Algunas de estas condiciones seleccionan microorganismos con capacidades bioquímicas poco comunes.

Por ejemplo, una enzima procedente de un organismo adaptado a temperaturas extremas puede funcionar de manera diferente a una enzima terrestre.

Estas características pueden resultar útiles para la biotecnología.

5. Las profundidades oceánicas son un laboratorio natural

A varios kilómetros de profundidad, la presión aumenta enormemente.

La temperatura, la disponibilidad de luz y la composición química del ambiente también pueden ser radicalmente diferentes de las condiciones de la superficie.

A pesar de estas condiciones, existen ecosistemas completos.

Uno de los descubrimientos más importantes ocurrió alrededor de las fuentes hidrotermales submarinas.

Estos sistemas expulsan agua caliente rica en minerales desde el interior de la corteza terrestre.

En ausencia de luz solar, los ecosistemas asociados a estas fuentes dependen principalmente de microorganismos capaces de realizar quimiosíntesis.

En lugar de utilizar directamente la energía de la luz, estos microorganismos obtienen energía mediante reacciones químicas.

Esto modificó profundamente la comprensión científica sobre los límites de la vida.

La vida no necesita necesariamente luz solar para existir.

6. ¿Podría existir vida en otros mundos?

El descubrimiento de ecosistemas asociados a fuentes hidrotermales también tuvo consecuencias para la astrobiología.

Algunas lunas del sistema solar, como Europa y Encélado, parecen poseer océanos de agua líquida bajo sus superficies heladas.

En el caso de Encélado, la misión Cassini detectó materiales expulsados desde su interior, incluyendo moléculas y compuestos compatibles con procesos químicos interesantes para la habitabilidad.

La existencia de ecosistemas terrestres que sobreviven sin luz solar proporciona un modelo para estudiar la posibilidad de vida en ambientes extraterrestres.

Esto no demuestra que exista vida fuera de la Tierra.

Pero cambia la pregunta.

Antes se pensaba principalmente en planetas similares a la Tierra en superficie.

Ahora los científicos también consideran la posibilidad de que la vida exista en océanos ocultos bajo capas de hielo.

7. El problema de descubrir organismos que todavía no podemos cultivar

Existe una dificultad fundamental.

Encontrar ADN de un microorganismo no significa necesariamente que podamos cultivarlo en un laboratorio.

Muchos microorganismos dependen de relaciones extremadamente específicas con otros organismos o con determinadas condiciones ambientales.

Por eso, la investigación moderna utiliza cada vez más técnicas de metagenómica.

En lugar de cultivar cada microorganismo individualmente, los científicos pueden extraer material genético directamente de una muestra ambiental.

Después pueden secuenciar ese material y buscar genes que codifiquen enzimas o moléculas potencialmente útiles.

Esto permite estudiar organismos que anteriormente eran prácticamente inaccesibles para la microbiología experimental.

8. Inteligencia artificial para buscar moléculas nuevas

La combinación entre biología marina e inteligencia artificial está abriendo otra posibilidad.

La cantidad de información genética obtenida mediante secuenciación es enorme.

Analizar manualmente todos esos genes resulta prácticamente imposible.

Los algoritmos de aprendizaje automático pueden utilizarse para identificar patrones en grandes conjuntos de secuencias y predecir cuáles podrían producir proteínas o moléculas con determinadas propiedades.

Esto permite cambiar el proceso tradicional:

Descubrir un organismo → aislar una molécula → estudiar su función.

Por un proceso mucho más amplio:

Secuenciar miles de organismos → analizar millones de genes → predecir candidatos → sintetizar y probar los más prometedores.

La inteligencia artificial no elimina la necesidad de experimentos.

Lo que hace es ayudar a reducir el enorme espacio de posibilidades que los científicos tendrían que investigar manualmente.

9. El gran desafío: convertir un descubrimiento en un medicamento

Encontrar una molécula interesante es solamente el comienzo.

Una sustancia puede mostrar actividad contra células cancerosas en un laboratorio y aun así resultar inútil como medicamento.

Antes de convertirse en un tratamiento debe estudiarse:

• Su toxicidad.
• Su estabilidad.
• Su absorción.
• Su distribución dentro del organismo.
• Su metabolismo.
• Su capacidad para alcanzar el tejido objetivo.
• Sus posibles efectos secundarios.
• Su dosis adecuada.
• Su eficacia en modelos animales.
• Su seguridad y eficacia en ensayos clínicos.

Por eso existe una diferencia enorme entre decir:

"Se descubrió una molécula marina que destruye células cancerosas."

y afirmar:

"Se desarrolló un medicamento eficaz contra el cáncer."

La primera afirmación puede referirse a un experimento inicial.

La segunda requiere años de investigación clínica.

10. El océano todavía está lejos de ser completamente conocido

A pesar de los avances tecnológicos, gran parte del océano profundo continúa siendo difícil de estudiar.

La presión, la oscuridad, las bajas temperaturas y las enormes distancias hacen que las expediciones sean extremadamente complejas.

Además, muchas especies probablemente desaparecen antes de ser estudiadas científicamente debido a la degradación de sus hábitats.

Esto genera un problema particular para la biotecnología.

Una especie desconocida podría contener moléculas de enorme interés médico, pero si desaparece antes de ser investigada, ese potencial puede perderse.

Por esta razón, la conservación marina también puede considerarse una estrategia de conservación de diversidad genética y química.

11. El futuro: del descubrimiento a la biología sintética

Una de las posibilidades más interesantes consiste en utilizar biología sintética para producir moléculas marinas sin necesidad de recolectar grandes cantidades de organismos.

Si los científicos identifican los genes responsables de producir un compuesto determinado, pueden intentar introducirlos en microorganismos cultivables.

Estos microorganismos podrían producir posteriormente la molécula en condiciones controladas.

Esto permitiría pasar de:

Extraer una sustancia directamente del océano.

a:

Identificar los genes responsables y fabricar la sustancia mediante sistemas biológicos controlados.

Esta estrategia podría reducir la presión sobre especies marinas y facilitar la producción industrial de determinados compuestos.

Conclusión

El océano no es solamente el mayor ecosistema del planeta.

También constituye uno de los mayores reservorios de diversidad genética, química y metabólica conocidos por la ciencia.

Las esponjas marinas ya contribuyeron al desarrollo de medicamentos importantes, mientras que los microorganismos de ambientes extremos han permitido descubrir enzimas y procesos biológicos que amplían nuestra comprensión de los límites de la vida.

La combinación de secuenciación genética, metagenómica, inteligencia artificial y biología sintética podría acelerar todavía más el descubrimiento de nuevas moléculas.

El verdadero potencial del océano quizá no esté únicamente en las especies que ya conocemos, sino en las que todavía no hemos descubierto.

Cada organismo marino desconocido representa potencialmente una biblioteca biológica que la ciencia todavía no ha aprendido a leer.

Fuentes científicas

• Newman, D. J. & Cragg, G. M. Natural Products as Sources of New Drugs over the Nearly Four Decades from 01/1981 to 09/2019. Journal of Natural Products.
• National Cancer Institute. Información sobre citarabina y su utilización en el tratamiento de determinados cánceres. https://www.cancer.gov/
• National Oceanic and Atmospheric Administration. Deep-Sea Coral Ecosystems. https://www.noaa.gov/
• National Aeronautics and Space Administration. Información sobre los océanos subsuperficiales de Europa y Encélado. https://science.nasa.gov/
• Joint Genome Institute. Recursos sobre metagenómica y diversidad microbiana. https://jgi.doe.gov/
• Leal, M. C. et al. Investigaciones sobre productos naturales marinos y su potencial biotecnológico. Marine Drugs.