Escrito en inglés y traducido al español por: Franco Tavella
Editado en inglés por: Jennifer Baker, Kristen Loesel, Christian Greenhill y Madeline Barron
Editado en español por: Andrés Rivera Ruiz
Ilustrado por: Katie Bonefas
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Debido a que soy argentino, comparto un sueño con mi país desde hace 16 años: que la selección nacional gane un campeonato de fútbol con Lionel Messi como capitán del equipo. La mayoría de los argentinos, incluso aquellos que no siguen el fútbol atentamente, han compartido la frustración de nunca haber ganado un torneo, pese a tener uno de los mejores jugadores del mundo en nuestra selección. Finalmente, en el verano de 2021, logramos festejar cuando la selección nacional ganó la Copa América tras derrotar a nuestro mayor rival en el fútbol, Brasil, en la final. Una multitud celebró en el icónico Obelisco que demarca el centro de la Ciudad de Buenos Aires y, a pesar de encontrarme en Estados Unidos, me sentí cerca de casa. Sin embargo, este momento de celebración y orgullo nacional quizás nunca hubiese ocurrido si no fuese gracias a la biomanufactura.
Lionel Messi, cuando tenía 11 años, fue diagnosticado con deficiencia de la hormona de crecimiento. Sin tratamiento, Messi hubiese dejado de crecer, comprometiendo así su naciente carrera como futbolista. Gracias a inyecciones diarias de la proteína que necesitaba–la hormona de crecimiento humana (hGF, por sus siglas en inglés)–pudo afrontar su enfermedad y lograr una carrera exitosa. Lamentablemente, producir hGF no es simple. Las hormonas, o más en general, las medicinas biológicas, no pueden ser manufacturadas con los mismos métodos utilizados para las drogas químicas como el ibuprofeno o el paracetamol. La única manera de obtener medicinas biológicas es utilizando células como fábricas.
La técnica de utilizar células como fábricas es conocida como biomanufactura y consiste en aprovechar las funciones celulares a nuestro favor. Debido a que cada célula contiene la maquinaria necesaria para crecer, los científicos pueden redirigir esta maquinaria para producir proteínas de interés médico, como hGF. Para lograr esto, se insertan moléculas de ADN que codifican la proteína de interés dentro de las células. Estas células crecen y, como subproducto de su crecimiento, generan la proteína de interés.
A pesar del tamaño microscópico de las células, se necesita equipamiento especializado de gran escala para poder manufacturar estas proteínas. Este equipamiento se encuentra en fábricas muy parecidas a cervecerías, con reactores de metal de varios metros de altura y laberintos colgantes de tubos de acero. Los trabajadores de estas fábricas colocan las células en estos contenedores, conocidos como bioreactores, los cuales proveen las condiciones óptimas para el crecimiento de las células. Típicamente, las células comienzan en bioreactores del tamaño de una lata de refresco y, al dividirse, ¡son transferidas a contenedores tan grandes como un camión cisterna! Luego de semanas en el biorreactor, la proteína de interés es separada de las células en un proceso conocido como purificación. Esta proteína purificada es luego usada en diferentes productos como tratamientos hormonales (por ejemplo, hGF e insulina), terapias para el cáncer y la artritis reumatoidea, vacunas, y enzimas que reducen el impacto medioambiental del gastado de los jeans.
Lamentablemente, la biomanufactura basada en células tiene ciertas limitaciones que afectan tanto la producción como la accesibilidad de algunas medicinas biológicas. Por ejemplo, la droga anticancerígena onconasa no puede ser producida en células debido a que sus propiedades tóxicas destruyen a las células tumorales y a las células que se usan para la producción. También, la ineficiencia de la biomanufactura basada en células restringe el acceso de muchas medicinas producidas a través de este método. Un estudio reciente demostró que las principales economías mundiales no cuentan con suficiente capacidad de biomanufactura para satisfacer la demanda global. Un grupo de investigadores estimó que la primera medicina biológica que logra retrasar el Alzheimer (recientemente aprobada por la FDA, la Administración de Alimentos y Medicamentos de los Estados Unidos, por sus siglas en inglés) sólo podría alcanzar menos del 20% de los pacientes en Estados Unidos si se usan los métodos actuales de biomanufactura. Aún con mejoras en la biomanufactura basada en células, es improbable que se pueda satisfacer la creciente demanda global por drogas biológicas.
Afortunadamente, una serie de nuevos enfoques basados en sistemas libres de células prometen solucionar muchos de estos problemas. En la biomanufactura basada en células, la maquinaria que las células utilizan para hacer proteínas coexiste con otros componentes celulares que cumplen otras funciones, generando así una utilización ineficiente de recursos. Al contrario, en la biomanufactura libre de células, los investigadores extraen la maquinaria específica para la producción de proteínas y descartan el resto de los componentes celulares. Esta extracción resulta en un líquido que contiene sólo lo esencial para producir proteínas. Dado que los sistemas libres de células no poseen una membrana ni necesitan crecer–son solo un conjunto de moléculas en un tubo–la producción de proteínas es más eficiente y versátil.
Recientemente, la flexibilidad de la biomanufactura libre de células ha promovido nuevas aplicaciones biotecnológicas, especialmente en el área de biosensores. Los biosensores son dispositivos de detección (por ejemplo, pruebas de embarazo o glucosa en sangre) que utilizan moléculas biológicas para identificar la presencia de compuestos específicos. Mientras que los biosensores tradicionales utilizan enzimas o anticuerpos para la detección de estos compuestos, los biosensores basados en sistemas libres de célula utilizan la producción de proteínas como herramienta de detección. Por ejemplo, para la detección de virus, la presencia del material genético viral desencadena una reacción en el extracto celular que produce una proteína con color, indicando un resultado positivo. Utilizando este enfoque, varios investigadores han construido biosensores que detectan virus humanos como el Ébola, el Zika y el norovirus, como también patógenos que afectan a ciertos productos agrícolas. Además de servir como biosensores, los sistemas libres de células han sido utilizados para expandir la producción de medicinas biológicas, incluyendo drogas para tratar desórdenes de la piel, un candidato para la vacuna contra la influenza, y los agentes antitumorales interferón-⍺ y onconasa. Además, estos sistemas han sido utilizados para optimizar la producción de compuestos antimicrobianos, proveyendo una herramienta fundamental en la lucha contra las bacterias resistentes a antibióticos.
A pesar de la promesa de los sistemas libres de células, éstos son generalmente desarrollados en escalas pequeñas. Su expansión a niveles industriales resulta difícil debido a su novedad, altos costos y bajo rendimiento en bioreactores de gran tamaño. Afortunadamente, algunas compañías, como Liberium, Synthelis, Sutro Biopharma y Greenlight Biosciences, han demostrado la factibilidad de aplicaciones a gran escala de sistemas libres de células para producir productos como vacunas basadas en ARN, proteínas terapéuticas y tratamientos de anticuerpos.
Aunque aún existen varios desafíos técnicos, la biomanufactura ya nos ayuda a resolver problemas de todo tipo. Años después de que Lionel Messi pudiera continuar su carrera gracias a las inyecciones de hGF, la Copa América tuvo que ser pospuesta en el 2020 debido a la pandemia del COVID-19. Sin el rol clave de la biomanufactura en el desarrollo de vacunas, la Copa América nunca se hubiese podido llevar a cabo de manera segura en 2021. De hecho, la vacuna de Pfizer-BioNTech contra el virus SARS-CoV-2 es producida con métodos basados en células (para producir el ADN que codifica el ARN de la vacuna) y con métodos basados en sistemas libres de células (para producir el ARN en sí). Por lo tanto, sin la biomanufactura, Messi nunca hubiese podido llevar a la Argentina a la victoria, ni llevar alegría y alivio a toda una nación en medio de una crisis global.
Así como logró moldear la historia de una estrella de fútbol, los deseos de victoria de una nación, y el curso de una pandemia, la biomanufactura continuará ayudándonos a resolver nuevos desafíos de formas inesperadas. En el verano de 2021, gracias a una serie de eventos hechos posibles por la biomanufactura, un torneo de fútbol me trajo alegría durante tiempos difíciles. En el futuro, espero que la biomanufactura siga generando nuevas conexiones inesperadas y traiga momentos de alegría a muchas personas más.
Franco Tavella es un candidato a doctorado en Biofísica en el laboratorio de Dr. Qiong Yang en la Universidad de Michigan. Él estudia las oscilaciones del ciclo celular usando sistemas libres de células, microfluidos y simulaciones. Si no lo encuentras en el laboratorio, probablemente esté en una de las librerías de Ann Arbor en busca de su próxima lectura. Franco escribe porque cree que la biotecnología beneficiaría a la sociedad aún más si fuera más accesible para todos. Encuéntralo en Twitter para hablar.
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