Llibre Divulgatiu XRB by Marc Parrilla

Edició i coodinació: Silvia Pujals Riatós i Eduard Sabidó Aguadé Disseny i maquetació: Vanessa Sànchez Úbeda Impressió: Depòsit legal:

QUÈ FA LA BIOTECNOLOGIA PER A MI?

INTRODUCCIÓ Es fa difícil definir la biotecnologia o decidir quan va començar. La Viquipèdia la defineix com el conjunt de disciplines o ciències que té per objectiu l’estudi dels éssers vius o parts dels éssers vius per tal d’obtenir-ne béns i serveis. Definida així, hom s’adona que la biotecnologia és vella, molt vella. Ja fa almenys 5.000 anys que l’home utilitza processos de fermentació per a l’elaboració de begudes alcohòliques o de formatges. Cal dir, però, que el vertiginós avenç de les «ciències de la vida» aquests darrers trenta anys i, de manera especial, l’accés a les tècniques d’enginyeria genètica, han abocat a un esclat en el nombre i l’abast de les possibles aplicacions de la biotecnologia. Aquesta acceleració en tecnologia i coneixement científic ha anat acompanyada de dificultats en la percepció social de la biotecnologia; una percepció social que es veu sovint distorsionada per una combinació de por al canvi, prejudicis o, simplement, manca d’informació. És precisament per intentar minimitzar aquestes mancances que la Xarxa de Referència en Biotecnologia (XRB) de Catalunya edita aquesta guia. Aquesta guia és el resultat d’un concurs d’idees entre els investigadors de la XRB. La guia conté un seguit de respostes a preguntes concretes. Tota la informació ha estat elaborada per investigadors de la XRB. Aquests mateixos investigadors han escrit, a més a més, un article de divulgació sobre cadascun dels temes per a aquells lectors que vulguin ampliar la informació. La guia està adreçada bàsicament a la gent del carrer. Pensem, però, que també pot ser de molta utilitat per al professorat de primària o secundària que busqui exemples concrets sobre l’impacte de la ciència en la nostra qualitat de vida.

Que en fruïu! Ernest Giralt XRB, director

ÍNDEX David Gabriel i Òscar Prado Elimina les males olors!

Ernest Giralt Facilita els transplantaments!

Xavier Gomis - Rüth i Maria Solà Em cura la grip!

David Resina Transforma els bacteris en fàbriques de medicaments!

Anna Maria Solanas Em neteja les platges!

Carlos M. Vicient Utilitza les plantes per millorar la meva qualitat de vida!

Carlos M. Vicient Com fem plantes transgèniques? …amb bacteris i bales d’or!

Glossari

QUÈ FA LA BIOTECNOLOGIA PER A MI? ELIMINA

LES MALES OLORS!

Què fa la biotecnologia per a mi?

ELIMINA

LES MALES OLORS! El desenvolupament industrial ha comportat la generació d’olors molt diverses, algunes de les quals són desagradables (1). A diferència d’altres tipus de contaminació, la generació de males olors no està ben regulada ni controlada. La millor alternativa per eliminar aquestes males olors és, senzillament, no generar-les, però en els casos en els quals la generació de males olors no es pot evitar s’han plantejat diverses solucions. Tradicionalment, la depuració odorífera de l’aire industrial s’ha aconseguit mitjançant tecnologies basades en principis químics i físics (absorció, adsorció, condensació i incineració). Tanmateix, la biotecnologia ha aportat noves aproximacions més ecològiques que es basen en la utilització de microorganismes. Aquests éssers vius s’alimenten de les substàncies que fan mala olor i les converteixen en substàncies inodores (2) i que es cultiven en biofiltres convencionals o amb recirculació de líquid.

QUÈ ENS DIU

EL CIENTÍFIC?

David Gabriel i Òscar Prado Universitat Autònoma de Barcelona Es pot aplicar aquest concepte a explotacions ramaderes? En efecte. De fet, les explotacions ramaderes, les emissions de les quals són riques en compostos reduïts de nitrogen com l’amoníac, són un exemple clàssic d’indústria en què els bioreactors han estat aplicats amb molt bons resultats en països com ara Holanda o Bèlgica. Preveu la llei un màxim de pudor ambiental? Encara que s’estan fent esforços de cara a desenvolupar una llei de protecció contra les olors, actualment no existeix cap llei, ni estatal ni autonòmica, que reguli nivells màxims de presència d’olors en l’atmosfera. En l’actualitat, la Generalitat de Catalunya té desenvolupat un esborrany de legislació de caràcter bàsicament preventiu sobre les activitats potencialment generadores de contaminació odorífera. En aquest sentit, la llei fixa valors objectius d’emissió d’olors que han d’assolir les activitats en les àrees que requereixen més protecció contra l’olor, mitjançant l’ús de la millor tecnologia disponible i l’aplicació de bones pràctiques de gestió, o bé mitjançant la implantació de mesures correctores.

Totes les fàbriques apliquen aquesta biotecnologia? Actualment, la manca d’una legislació estricta en matèria de contaminació odorífera, tant a Catalunya com a la resta d’Espanya, provoca que les indústries no apliquin grans esforços en matèria de desodoració, tot i que hi ha, això sí, algunes excepcions.

APLICACIONS

EN VOLS SABER MÉS?

Les diverses aplicacions de la biotecnologia en aquest camp inclouen l’eliminació d’olors d’origen industrial i ramader.

Si vols ampliar els teus coneixements sobre aquest tema pots consultar l’article dels doctors David Gabriel i Óscar Pardo «Què fa la biotecnologia per mi? Elimina les males olors» o consultar la pàgina web de la XRB. També és molt interessant la pàgina web www.olores.org, una pàgina de divulgació en espanyol orientada a abordar els problemes causats per la presència de males olors i a informar dels últims avenços en sistemes d’anàlisi i control de les olors.

Què fa la biotecnologia per a mi?

elimina les males olors!

David Gabriel i Òscar Prado Universitat Autònoma de Barcelona

El problema de les olors En els temps en què els primats es van començar a estendre sobre la Terra, uns seixanta milions d’anys enrere, el sentit de l’olfacte era un dels més importants per a la supervivència. Els senyals de perill (per exemple, els aliments en mal estat o la proximitat de depredadors) eren identificats immediatament com a olors desagradables, mentre que els aliments desitjables o els reclams sexuals s’associaven a olors agradables. A mesura que l’home va anar desenvolupant senyals més complexos per interaccionar amb els seus semblants i amb el medi, la importància dels sentits «químics» (olfacte i gust) es va anar reduint gradualment. Paral·lelament, les papil·les gustatives i els receptors olfactius van entrar en una recessió gradual però constant. A dia d’avui són molt comptades les ocasions en les quals algun d’aquests sentits arriba a decidir la vida o la mort d’un ésser humà. Tanmateix, és indiscutible que, si bé ha perdut la indispensabilitat que va tenir mil·lennis enrere, l’olfacte continua sent una de les principals vies d’entrada d’estímuls en l’ésser humà. Instintivament, continuem responent de manera intensa a les olors que percebem, bé positivament, si l’olor és agradable, bé negativament, si no ho és. Encara avui en dia, i malgrat que el nostre sentit de l’olfacte és extraordinàriament limitat en comparació del de la majoria dels nostres parents mamífers, les olors que ens envolten poden afectar en gran manera la nostra qualitat de vida. Un company d’aula suat, un contenidor de residus orgànics mal tancat o un camió de transport de bestiar poden arribar a fer-se insuportables en uns quants minuts. La mateixa situació pot succeir en instal·lacions com ara les fàbriques de productes químics, les depuradores d’aigües residuals o les plantes processadores de carn o farines de peix. Tot i que els últims anys s’han desenvolupat diferents normatives encaminades a protegir la qualitat odorífera de l’aire, especialment en les àrees pròximes als nuclis habitats, la situació en nombroses zones del nostre país és encara de certa desprotecció. Manual del nas Perquè una olor sigui percebuda per qualsevol animal o ésser humà ha d’arribar als seus receptors olfactius, que actuen com a sensors del sentit de l’olfacte. En l’ésser

humà aquests receptors estan allotjats a la pituïtària, que és una membrana mucosa que recobreix les parets interiors dels conductes nasals. És important recordar que el que entenem com a olors són, en realitat, molècules gasoses, generalment de baix pes molecular, disperses en l’aire. Quan aquestes molècules assoleixen els receptors olfactius en concentració suficient s’origina un impuls nerviós que s’envia al cervell. Una vegada allà, l’olor es registra, es compara amb altres olors emmagatzemades en la memòria i es defineix com a agradable, neutra o desagradable a fi d’elaborar una resposta adequada. És obvi que no totes les substàncies emeten compostos olorosos a la mateixa concentració. En general, l’alliberament d’aquestes substàncies és significativament més gran en líquids aquosos, greixos o ceres que en sòlids densos. Tanmateix, un fenomen que pot resultar curiós a primera vista és que, amb la mateixa concentració en l’aire, no tots els compostos tenen una olor igual d’intensa. Un concepte que pot ajudar-nos a entendre’n el perquè és el del límit de detecció olfactiu. Aquest límit és característic per a cada substància i per a cada espècie animal, i es defineix com el valor de concentració d’un compost determinat que és percebut pel 50 % dels membres d’aquesta espècie. Per exemple, el límit de detecció olfactiu de l’àcid acètic (un compost orgànic present al vinagre, al qual dóna la seva olor característica) és de 7,5 × 10–11 mg/L. Això vol dir que la meitat de la població humana pot percebre la presència de 75 fg d’àcid acètic en un litre d’aire. D’altra banda, el límit de detecció olfactiu del sulfur d’hidrogen (un compost de sofre amb olor d’ou podrit) és molt més gran, de 0,8 × 10–3 mg/L. Això significa que, perquè la meitat de la població pugui percebre la seva presència, és necessari que hi hagi concentracions de sulfur d’hidrogen de 0,8 μg per cada litre d’aire. Dit d’una altra manera, amb la mateixa concentració d’àcid acètic i sulfur d’hidrogen, el primer «fa més olor». No cal dir que els científics no depenen únicament del seu nas per detectar la presència de partícules oloroses en l’aire. En les últimes dècades s’han desenvolupat una gran varietat de sistemes que permeten determinar la concentració de substàncies odoríferes, encara que la

Què fa la biotecnologia per a mi?

normativa actual a escala europea confia la quantificació d’olors al nas de «tastadors d’olors» acreditats.

ria, que permeten que l’olor es dispersi per l’acció dels vents (figura 1).

Com deslliurar-nos de les olors? Resulta innecessari dir que la millor alternativa per deslliurar-nos de les olors desagradables és, senzillament, no generar-les. Una bona estratègia de producció pot reduir en gran manera l’emissió d’olors en la majoria d’indústries. En moltes ocasions els abocaments de substàncies oloroses a l’atmosfera es produeixen a través de canonades amb fugues, portes mal tancades o dipòsits sense un segellament hermètic. Una vegada localitzades i resoltes aquestes situacions, bona part de l’emissió restant es podria evitar redissenyant-ne la producció.

D’altra banda, la depuració odorífera de l’aire industrial s’ha aconseguit tradicionalment per mitjà de tecnologies basades en principis físics i químics. A continuació en descriurem les més comunes:

En els últims temps s’han fet innombrables avenços en els processos productius industrials que permeten maximitzar els resultats d’una manera neta, amb una generació molt menor de contaminants i olors. Un exemple d’això és l’aplicació de nous catalitzadors en la indústria automobilística. Tanmateix, s’ha de tenir en compte que aquestes accions solen implicar un important cost econòmic, la qual cosa, sovint, les fa inviables a la pràctica. En tot cas aquestes alternatives impliquen reduir l’olor abans que aquesta arribi a produir-se. Per a aquelles circumstàncies en les quals la disminució en l’emissió d’olors no sigui suficient per mitjà d’alguna d’aquestes opcions, l’alternativa passa per reduir la quantitat d’olor que pot arribar a la població. Això es pot aconseguir, o bé mitjançant la dilució del corrent gasós, o bé mitjançant la seva depuració. La dilució implica l’abocament del gas a través de xemeneies obertes a una certa alçà-

Figura 1: Dispersió de les olors per acció del vent. La fletxa mostra la direcció predominant del vent. El cercle intern indica la zona d’olor intensa. El cercle extern assenyala la zona d’olor tènue.

a) L’absorció Aquesta tècnica es basa en la transferència de les partícules oloroses a un medi líquid, generalment, aigua. Per aconseguir aquesta transferència, el corrent d’aire contaminat es fa circular a través d’una torre de rentat amb un aportament d’aigua continu a la part superior. El principal problema d’aquesta tecnologia és que no elimina realment els compostos olorosos, sinó que es limita a transferir-los a un altre medi. D’aquesta manera, es genera un líquid que requerirà un tractament posterior. b) L’adsorció El principi d’aquesta tecnologia és molt similar al de l’absorció. Ambdues impliquen la transferència del contaminant gasós a una fase diferent: líquida, en el cas de l’absorció; sòlida, en el de l’adsorció. Habitualment s’empren com a adsorbents materials molt porosos, com ara el carbó actiu. El problema, novament, és que en lloc d’eliminar l’olor el que s’aconsegueix és transferir-lo a un medi que anteriorment era net i que caldrà tractar posteriorment. c) La condensació La condensació dels compostos olorosos s’aconsegueix mitjançant l’aplicació de pressions elevades o de temperatures molt baixes al gas contaminat. D’aquesta manera, s’aconsegueix el pas de les substàncies oloroses del gas a l’estat líquid, cosa que implicarà la necessitat d’un tractament posterior. Aquesta tècnica s’empra en comptades ocasions per al tractament d’olors, ja que implica una gran despesa econòmica. d) La incineració Es tracta d’un sistema força estès per al tractament d’olors. Consisteix simplement a cremar el gas a temperatures elevades, la qual cosa converteix les substàncies oloroses en molècules molt senzilles, com ara el diòxid de carboni i l’aigua. Tot i la seva gran eficiència, la in-

Què fa la biotecnologia per a mi?

cineració presenta l’inconvenient de generar contaminants com ara òxids de nitrogen o de sofre, dioxines o monòxid de carboni, que poden causar problemes molt més greus que els de les substàncies oloroses inicials. És, a més, una tecnologia cara, tant pel que fa a la construcció com a la seva operació. Com veiem, cap de les solucions de les quals hem parlat no és realment òptima: algunes no eliminen realment l’olor, sinó que el tanquen en un líquid o en un sòlid. D’altres el «cremen», donen lloc, moltes vegades, a productes químics tòxics (que, a més, poden tenir també una olor desagradable), i causen despeses econòmiques molt importants. En altres casos simplement l’olor s’emet per les xemeneies i es dispersa en l’aire, confiant que els vents la dilueixin i l’allunyin de les poblacions. Una solució molt millor seria, d’alguna manera, fer que l’olor desaparegués realment de l’aire, sense contaminar l’aigua ni la terra. Hauria de tractar-se d’un procés barat, o altrament les indústries no podrien permetre’s aplicar-lo. I, sens dubte, hauria de ser altament eficaç, ja que, com hem vist, existeixen substàncies que fins i tot a concentracions molt petites poden causar una olor extremadament intensa, per la qual cosa seria desitjable eliminar els compostos olorosos quasi completament. Sembla impossible, veritat? El cas és que estem a prop que no ho sigui. Hi ha una tecnologia basada en quelcom que funciona des de molt abans que es desenvolupessin la incineració, l’absorció i totes les altres tècniques que hem esmentat fins ara. De fet, existeix des d’abans que apareguessin les indústries i les activitats que causen les olors desagradables. Abans fins i tot que l’home i la resta d’éssers pluricel·lulars habitessin la Terra. Aquesta tecnologia pot captar l’olor de l’aire i, mitjançant un procés totalment natural, convertir els compostos olorosos en aigua, nutrients i, el més sorprenent, ...vida. La solució ideal: alimentar-se de les males olors Ens remuntarem a uns 4.000 milions d’anys enrere en el temps. Els primers éssers vius estan començant a desenvolupar-se sobre la Terra. Es tracta d’organismes molt senzills, formats per una única cèl·lula. Aquests éssers, que s’han mantingut en constant evolució fins a l’actualitat, obtenen la seva energia de compostos quí-

mics senzills. Al llarg de milions d’anys d’evolució, molts d’aquests microorganismes han adquirit la capacitat de captar aquestes petites molècules i emprar-les com a aliment. La tecnologia a què ens referim es basa en aquest principi. Des de fa dècades se sap que molts microorganismes de diversos tipus poden captar les substàncies oloroses i nodrir-se’n, incorporar-les a la seva estructura i alliberar substàncies sense olor, com ara l’aigua o el diòxid de carboni. Si cultivem aquests microorganismes sota unes condicions ideals perquè puguin viure i desenvolupar-se i els aportem les substàncies oloroses, ells tendiran a recollir-les i, literalment, a «menjar-se-les». D’aquesta manera, els microorganismes creixen i la contaminació odorífera es redueix. Aquesta tècnica es coneix com a biofiltració.

Figura 2: Esquema simplificat del funcionament d’un bioreactor (esquerra) i fotografia d’un conjunt de bioreactors (dreta). En ells, els microorganismes es «mengen» les olors.

A la pràctica, els microorganismes es fan créixer dins de recipients coneguts com a bioreactors. La funció d’aquests bioreactors és allotjar els microorganismes en el seu interior i, d’aquesta manera, afavorir-ne el creixement i l’actuació mitjançant el manteniment d’unes condicions ideals per a la seva vida. Un esquema general d’un bioreactor senzill es mostra en la figura 2. Els primers bioreactors es van començar a utilitzar a començaments del segle XX, a fi de purificar certes emissions d’olor desagradable, com ara les generades a les instal·lacions de tractament d’aigües residuals. Aquests sistemes, inicialment rudimentaris, consistien en simples fosses farcides d’un material orgànic, com

Què fa la biotecnologia per a mi?

ara trossos de fusta o sorra, a través del qual es feia passar el corrent gasós. A partir dels anys vuitanta, l’ús dels bioreactors es va anar estenent per Europa i els Estats Units, la qual cosa va afavorir un gran augment en l’esforç dedicat a la investigació en aquests sistemes. Actualment, hi ha milers de bioreactors funcionant a tot el món, en la majoria dels casos amb excel·lents resultats. A Catalunya, algunes de les indústries de la zona metropolitana de Barcelona depuren les seves emissions per mitjà d’aquests sistemes. Una característica comuna en la majoria dels bioreactors és que presenten un material de farcit sòlid en l’interior (tal com mostra la figura 3), sobre el qual es desenvolupen els microorganismes. Aquest material pot ser orgànic (trossos de fusta, sorra, torba o compost) o inert (terra volcànica, carbó actiu o diferents varietats i formes de materials plàstics), i la seva funció és servir de suport als microorganismes i permetre’n, així, el desenvolupament. Els materials orgànics contenen nutrients i colònies de microorganismes propis que poden ser beneficiosos per al tractament. Malauradament, aquests farcits són, en general, més inestables que els inerts, per la qual cosa s’han de substituir periòdicament. En tot cas, tant si el farcit és orgànic com si és inert, els microorganismes es desenvoluparan i s’estendran sobre la seva superfície, formant una capa denominada biopel·lícula. Aquesta biopel·lícula és l’element primordial del funcionament dels bioreactors, ja que és on es du a terme la degradació dels compostos olorosos. La biopel·lícula pot contenir centenars d’espècies de microorganismes, incloent-hi bacteris, fongs, llevats, etc. Encara que existeixen diferents tipus de bioreactors per al tractament d’olors, els que s’utilitzen més habitualment a escala industrial són dos: els biofiltres i els biofiltres percoladors (figura 4). La principal diferència és que, mentre que els biofiltres percoladors es reguen

Figura 3: Fotografia d’un bioreactor (esquerra) i material de farcit en el qual creixen els microorganismes en el seu interior (dreta).

Figura 4: Esquema d’un biofiltre (esquerra) i d’un biofiltre percolador (dreta). La principal diferència entre ells és l’aportament continu d’una solució líquida en el biofiltre percolador.

contínuament amb aigua o amb una solució nutritiva que es retorna també contínuament al reactor, els biofiltres convencionals es reguen de manera periòdica o bé només quan el sistema ho necessita. A més, habitualment, els primers s’omplen amb un material inert, mentre que als biofiltres el material de farcit sol ser orgànic. Entre els avantatges que presenten els bioreactors davant les tecnologies clàssiques de tractament d’olors en destaquen l’elevada eficiència, l’absència de producció de compostos químics perjudicials i, molt especialment, l’estalvi econòmic que implica la seva utilització. S’estima que l’ús de bioreactors en lloc de les tecnologies fisicoquímiques pot reduir els costos de funcionament entre dues i quaranta vegades. Tanmateix, malgrat el que s’ha exposat fins ara, també hi ha certs casos en els quals els bioreactors presenten limitacions. Com és lògic, l’eficàcia dels bioreactors dependrà enormement de la biodegradabilitat del contaminant (o, dit d’una altra manera, de com d’apetitós resulti el contaminant per als microorganismes). Així, el tractament de compostos escassament biodegradables pot no ser òptim. D’altra banda, perquè un compost olorós pugui ser captat pels microorganismes és imprescindible que aquest sigui, almenys, lleugerament soluble en aigua o en un líquid en el qual els microorganismes siguin capaços de viure. Un compost insoluble no es dissoldrà a la biopel·lícula i, per tant, no serà accessible per als microorganismes i no

Què fa la biotecnologia per a mi?

podrà ser degradat. A més, si les substàncies oloroses es troben en concentracions excessivament altes poden resultar tòxiques per als microorganismes. La tasca dels biotecnòlegs i dels experts en bioreactors els últims anys està centrada, en part, en la recerca en el nostre entorn natural de microorganismes específicament adaptats per degradar substàncies oloroses concretes, així com d’aquells als quals la presència de concentracions elevades d’aquestes substàncies no els representi un problema. Com veiem, perquè la biodegradació es dugui a terme amb eficàcia, no tan sols és important comptar amb uns microorganismes vàlids i en quantitat suficient. A més, els compostos olorosos han de complir també una sèrie de requisits: biodegradabilitat i solubilitat. Una tercera condició, igual d’important que les anteriors, és que les condicions a l’interior del bioreactor han de ser adequades per poder permetre la vida i el desenvolupament dels microorganismes. Com qualsevol altre ésser viu, els microorganismes són sensibles als factors ambientals, de manera que valors inadequats de temperatura, humitat o pH, entre altres paràmetres, poden acabar amb ells. Per això és important assegurar que l’operació del bioreactor permeti l’actuació dels microorganismes en les millors condicions. Entre els paràmetres d’operació més importants en bioreactors, és especialment destacable el paper que tenen els nutrients. A més del mateix compost olorós, els microorganismes necessiten diferents substàncies per viure i desenvolupar-se, com ara compostos de nitrogen, sofre, fòsfor i petites quantitats de micronutrients (calci, potassi, ferro, sodi, magnesi, zenc, etc.). En aquells bioreactors farcits amb un material orgànic, aquest pot servir com a font de nutrients. Si el farcit és inert, en canvi, els nutrients s’hauran d’aportar per mitjà d’una solució aquosa. I si els nutrients són importants per al desenvolupament dels microorganismes, l’aigua no ho és menys. En bioreactors amb un aportament d’aigua insuficient el farcit s’asseca i impedeix l’acció dels microorganismes i, consegüentment, la depuració del gas. En general, es considera que la humitat relativa de l’aire entrant ha de ser entre el 90 % i el 100 %. Si aquest valor és inferior, pot corregir-se mitjançant el reg del farcit amb aigua

o amb una solució aquosa. Altres paràmetres ambientals d’importància per a l’operació de bioreactors són la temperatura i el pH. La majoria dels microorganismes que es desenvolupen en els bioreactors són mesòfils, és a dir, que poden créixer de manera adequada entre, aproximadament, 15 ºC i 40 ºC. Tanmateix, en algunes ocasions és convenient, o fins i tot necessari, dur a terme la depuració sota condicions extremes de temperatura (per exemple en països freds o bé quan el corrent de gas s’emet a temperatures elevades). Diferents estudis han demostrat que els bioreactors poden funcionar adequadament entre 0 ºC i 70 ºC, la qual cosa permet aplicar-los en la gran majoria de situacions industrials. Com veiem, els microorganismes no són tan diferents de la resta d’éssers vius. Com nosaltres, necessiten un entorn adequat per créixer i desenvolupar-se. Els valors extrems d’humitat, temperatura, etc., així com les variacions dràstiques d’aquests paràmetres, poden tenir un efecte molt negatiu sobre els microorganismes, la qual cosa afecta el funcionament del bioreactor. Tanmateix, la seva enorme diversitat ens permet pensar que és possible trobar conjunts de microorganismes que siguin capaços de tractar les olors gairebé sota qualsevol condició natural. Actualment hi ha nombrosos grups de científics que treballen dia a dia amb l’objectiu d’ampliar els coneixements que es tenen sobre aquests microorganismes i sobre la seva manera d’actuar. Així, és d’esperar que en un futur pròxim els bioreactors siguin el sistema preferit per tractar les males olors. Resumint La presència d’olors desagradables en l’ambient pot arribar a afectar molt la qualitat de vida de les persones que hi estan exposades. En aquells casos en els quals la minimització de la producció d’olor no sigui possible s’haurà d’actuar sobre el mateix aire, retirant els compostos olorosos fins a assegurar un nivell de qualitat acceptable. Les tecnologies de depuració d’olors més esteses actualment basen la seva acció en principis físics i químics. Aquestes tècniques, encara que són eficients, presenten una sèrie d’inconvenients que en desaconsellen l’ús en moltes ocasions. Com a alternativa, en les últimes dècades s’han desenvolupat sistemes de depuració basats en principis de tipus biològic. Els bioreactors ofereixen una opció

Què fa la biotecnologia per a mi?

econòmica, segura i eficaç per al tractament de la majoria dels compostos olorosos emesos en instal·lacions industrials, incloent els compostos orgànics (com ara alcohols, cetones o hidrocarburs, entre d’altres), els compostos reduïts de sofre (com ara el sulfur d’hidrogen) o els compostos nitrogenats (com ara l’amoníac). Amb unes despeses d’inversió relativament baixes i un cost d’operació molt inferior al de qualsevol de les tecnologies clàssiques, la biofiltració es postula com el sistema de tractament d’olors del futur. De moment, el nombre de bioreactors que operen a Europa i als Estats Units es multiplica any rere any. Per saber-ne més Tant a les biblioteques com a la xarxa és possible trobar gran quantitat d’informació sobre la problemàtica de les olors i les diferents tecnologies que hi ha per tractar-les. www.olores.org és una web completa de divulgació en espanyol orientada a abordar els problemes causats per la presència de males olors i a informar dels últims avenços en sistemes d’anàlisi i control. D’altra banda, l’empresa Odournet SL, a través de la seva pàgina web (www.odournet.com/es), posa a disposició del visitant abundant informació tècnica sobre la gestió d’olors desagradables. L’esmentada web inclou, a més, un llistat complet de pàgines externes en les quals s’aprofundeix en diferents temes relacionats, com els efectes de les olors sobre la salut o els últims avenços en la investigació d’olors.

QUÈ FA LA BIOTECNOLOGIA PER A MI? FACILITA ELS

TRANSPLANTAMENTS!

Què fa la biotecnologia per a mi?

FACILITA ELS

TRANSPLANTAMENTS! Els pèptids són compostos naturals que es troben als éssers vius i hi duen a terme funcions molt diverses. Els científics poden aïllar aquests compostos de plantes, animals, fongs, etc., i aprofitar la seva activitat per al tractament de diverses malalties (1). Un cop aïllats es compara la seva especificitat en sistemes model com ara cultius cel·lulars o assajos enzimàtics (2). Quan s’ha comprovat la seva activitat, el compost es caracteritza mitjançant diferents tècniques de determinació estructural, com per exemple raigs X (vegeu l’article de X. Gomis-Rüth), RMN i espectrometria de masses (3). El pas següent consisteix a obtenir grans quantitats del pèptid mitjançant síntesi química o expressió en sistemes biològics (vegeu l’article de D. Resina) (4). Finalment, un cop superats els pertinents assajos clínics, aquests pèptids es poden utilitzar en diverses aplicacions biomèdiques, com pot ser el càncer de pròstata, els transplantaments, el càncer de mama i les disfuncions renals.

QUÈ ENS DIU

EL CIENTÍFIC?

Ernest Giralt Universitat de Barcelona A més de les malalties esmentades, n’hi ha d’altres que puguin ser tractades amb pèptids i proteïnes? Sí. L’exemple més conegut és la utilització de la proteïna insulina en el tractament de la diabetis. Així mateix, els interferons, que també són proteïnes, s’utilitzen molt en el tractament de l’hepatitis. A nivell de recerca hi ha molts pèptids i proteïnes que en aquests moments encara estan en assajos clínics. Aquest és el cas, per exemple, de compostos adreçats a evitar l’agregació de proteïnes anòmales. A part d’ajudar-nos a curar malalties, els pèptids i les proteïnes poden provocar-ne alguna? La resposta és sí. El cas més clar és el de les malalties priòniques, com la de les vaques boges. També en la malaltia d’Alzheimer té molta importància l’agregació d’una proteïna, la beta-amiloide. Els agregats que es formen són letals per a les neurones que es troben al seu voltant. Precisament, una de les línies de recerca del nostre laboratori és estudiar com són i com es formen aquests agregats, així com dissenyar compostos químics que n’evitin la formació.

Quines estratègies s’utilitzen per tal que els pèptids i proteïnes subministrats només siguin actius en el lloc d’actuació? Aquest és un tema que està encara als seus inicis. Encara que hi ha molta recerca científica en marxa, en la majoria de casos se’n fa una administració sistèmica, per tot el cos. Recentment, al nostre laboratori hem descobert pèptids que poden entrar a l’interior de determinades cèl·lules (travessant la membrana plasmàtica) o arribar al cervell (travessant la barrera hematoencefàlica).

APLICACIONS

EN VOLS SABER MÉS?

Aquesta biotecnologia s’ha aplicat en diversos casos per crear fàrmacs per al tractament del glaucoma, la grip vírica, l’hepatitis B i fins i tot malalties tan importants com la sida.

Si vols ampliar els teus coneixements sobre aquest tema pots consultar l’article del doctor Ernest Giralt «Pèptids i proteïnes com a agents terapèutics» o consultar la pàgina web de la XRB. També pots consultar l’article «Péptidos y la industria farmacéutica» d’E. Giralt et al. publicat a Anales de la Real Sociedad Española de Química o l’article «Síntesi de péptidos en soportes poliméricos», també d’E. Giralt, publicat a Arbor: Ciencia, pensamiento y cultura.

Què fa la biotecnologia per a mi?

PÈPTIDS I PROTEÏNES COM AGENTS TERAPÈUTICS Ernest Giralt Universitat de Barcelona

Els trasplantaments d’òrgans com ara el ronyó, el fetge o el cor, es consideren avui en dia com una pràctica mèdica quasi rutinària. Sabies que els trasplantaments no haurien estat possibles sense la utilització de ciclosporina? Saps que una de les principals causes de la reducció del nombre de morts causades pel càncer de pròstata ha estat la utilització des de fa més de quinze anys d’agonistes de la GnRH? Saps que l’eritropoetina (EPO), sí la dels ciclistes, és utilitzada cada any per milions de persones i que és molt important per a la seva salut? Saps que des de fa molt poc temps, gràcies al descobriment del trastuzumab, es pot tractar amb èxit una de les variants més agressives del càncer de mama? Saps què tenen en comú la ciclosporina, els agonistes de la GnRH, l’EPO I el trastuzumab? Que són pèptids i proteïnes. Què és un pèptid? Els éssers vius, les seves cèl·lules, estan fabricats sobre la base d’una àmplia varietat de biomolècules. Moltes d’aquestes biomolècules tenen estructura modular, és a dir, estan formades per la unió seqüencial de determinats blocs bàsics. L’exemple típic d’aquests blocs bàsics són els aminoàcids. Aquests aminoàcids es combinen entre ells per unió d’un grup amino i un grup àcid. Els compostos que resulten s’anomenen pèptids i l’enllaç que es forma entre els aminoàcids s’anomena enllaç peptídic (figura 1). Figura 1: Enllaç peptídic entre dos aminoàcids.

Els pèptids poden estar formats per uns quants aminoàcids —dipèptids, tripèptids, etc.— o per centenars d’aminoàcids. En aquest darrer cas tenim el costum d’emprar la paraula proteïna. Des d’un punt de vista químic res no diferencia un pèptid i una proteïna, simplement la mida. Això sí, les proteïnes acostumen a ser més delicades que els pèptids: sovint la seva activitat està lligada a una estructura tridimensional ben definida (figura 2). Quan una proteïna d’aquest tipus es tracta amb detergents o se sotmet a una temperatura elevada, pot per-

dre aquesta estructura tridimensional —aquesta forma de plegament— i esdevenir inactiva. Diem que la proteïna s’ha desnaturalitzat. Els pèptids petits, en canvi, són molt flexibles; les diferents estructures tridimensionals —bioactives o no bioactives— s’estan bescanviant contínuament. Això fa que el treball amb pèptids sigui més còmode que el treball amb proteïnes ja que no cal preocupar-se d’obtenir, i mantenir, la molècula en l’estructura adequadament plegada.

Figura 2: Estructura tridimensional de la proteïna P41icf, un potent inhibidor de l’enzim catepsina. La síntesi i l’elucidació de l’estructura de P41icf es van dur a terme per primera vegada al nostre laboratori.

Enganyant el sistema immunitari: la ciclosporina La història del descobriment de la ciclosporina resulta ben curiosa. L’any 1957 l’empresa farmacèutica Sandoz va començar un projecte de recerca sistemàtica de nous antibiòtics a partir de metabòlits de fongs i va encoratjar tots els seus empleats que en tornar de les seves vacances portessin una petita mostra de terra del lloc on havien estat. En aquest context, B. Thiele, un investigador de l’empresa, va aïllar el fong Tolypocladium inflatum a partir de dues mostres de terra, una d’arribada de Noruega i una altra dels EUA. Per aïllar els principis actius es va procedir a la fermentació del fong. Això va permetre obtenir-ne grans quantitats i aïllar-ne la ciclosporina A. La seva estructura va elucidar-se per mètodes de degradació química i espectroscòpics —ressonància magnètica i cristal·lografia de raigs X— i això va fer que es pogués comprovar que la ciclosporina és un pèptid cíclic format per la combinació d’11 aminoàcids, la majoria dels quals són molt poc freqüents, és

Què fa la biotecnologia per a mi?

a dir, no formen part habitualment d’altres pèptids o proteïnes (figura 3).

Lluitant contra el càncer de pròstata El càncer de pròstata, juntament amb el de pulmó, és el principal responsable de les morts per càncer entre la població masculina mundial. L’envelliment de la població fa que, a més, el nombre de casos augmenti d’any en any. Afortunadament, l’anomenada teràpia hormonal ha estat cabdal per reduir de manera significativa l’impacte negatiu d’aquesta malaltia.

Figura 3: Estructura de la ciclosporina.

L’any 1977 l’hongarès Andrew Victor Schally i el francès Roger Guillemin rebien el Premi Nobel de Medicina i Fisiologia pels seus estudis sobre les hormones proteiques produïdes al cervell, premi que compartiren amb Rosalyn Yalow pels seus estudis sobre les hormones proteiques usant mètodes de radioimmunoassaig. L’hormona alliberadora de la gonadotropina (GnRH) és un decapèptid (figura 4) que se sintetitza a la regió del cervell anomenada hipotàlem i que en arribar a la hipòfisi causa la secreció de les hormones proteiques anomenades gonadotropines. Com el seu nom indica, les gonadotropines són les responsables de la secreció, per part de les gònades, de les hormones sexuals.

L’estudi detallat de l’activitat antibiòtica de la ciclosporina va resultar, però, força decebedor. La molècula era activa tan sols contra un nombre molt limitat de fongs i totalment inactiva com a antibacterià. Va quedar, per tant, oblidada en els prestatges d’algun magatzem de productes. Anys més tard, el 31 de gener de 1972, investigadors de Sandoz van descobrir, en el curs d’una recerca sistemàtica de compostos amb activitat com a immunosupressors, que la ciclosporina presentava una gran activitat immunosupressora. A partir d’aquí es va dur a terme una gran recerca farmacològica que va culminar en la primera aplicació de la molècula per al tractament, el març del 1980, d’Irene, una malalta de leucèmia de 28 anys. A la Irene se li va fer un trasplantament de medul· la òssia de la seva germana petita. La introducció de l’ús de la ciclosporina ha resultat cabdal en el desenvolupament dels trasplantaments d’òrgans. El nostre sistema immunitari està especialment preparat per diferenciar entre «propi» i «aliè» i per lluitar contra tot allò que considera aliè. Aquesta és una lluita química i biològica. És química en el sentit que utilitza anticossos, unes molècules —per cert, proteïnes— capaces d’unir-se a molècules o organismes aliens i neutralitzar-los. I és biològica en el sentit que fa servir cèl·lules especialitzades per detectar i matar aquelles cèl·lules de l’hoste que han resultat alterades i evitar així, per exemple, la propagació d’una infecció o d’un tumor. Aquest potent mecanisme d’autodefensa, el sistema immunològic, constitueix però una barrera formidable contra els trasplantaments d’òrgans, fins i tot entre individus d’una mateixa espècie. Afortunadament, l’administració d’immunosupressors, com la ciclosporina, permet aturar almenys temporalment el sistema immunològic i permetre l’acceptació per part de l’hoste del nou òrgan aliè.

pGlu-His-Trp-Ser-Tyr-Gly-Leu-Arg-Pro-Gly-NH2

GnRH

pGlu-His-Trp-Ser-Tyr-D-Leu-Leu-Arg-Pro-NHEt LEUPROLIDA pGlu-His-Trp-Ser-Tyr-DSer(OBu)-Leu-Arg-Pro-NHEt GOSERELINA Figura 4: Estructura de la GnRH i dels seus agonistes leuprolida i goserelina.

En el cas de l’home, les hormones sexuals —la testosterona i la dihidrotestosterona— tenen un paper molt important al llarg de la vida de l’individu en el creixement de la pròstata. És per això que en casos de càncer de pròstata resulta sovint molt convenient eliminar la presència de testosterona i dihidrotestosterona. A partir de 1986 es van començar a estudiar una sèrie de compostos peptídics (figura 4) d’estructura molt semblant a l’estructura de la GnRH i que són agonistes molt potents. Això vol dir que interaccionen a la hipòfisi amb el mateix receptor que el GnRH però desencadenen una resposta molt més potent, de manera que en començar un tractament amb algun d’aquests agonistes la concentració d’hormones sexuals —andrògens— puja molt (de fet això pot resultar perillós). Més endavant, però,

Què fa la biotecnologia per a mi?

es produeix un efecte de retroalimentació negativa que fa que les concentracions d’andrògens s’estabilitzin a nivells fins i tot inferiors al que s’assolirien mitjançant una castració química o quirúrgica. Mentre dura el tractament cal assegurar-se que es mantingui una dosi terapèutica relativament constant. Això s’aconsegueix gràcies als avenços en nanobiotecnologia. Concretament els pèptids s’administren per injecció subcutània dins d’unes nanopartícules polimèriques. A mesura que les nanopartícules van degradant-se el pèptid es va alliberant. Aquest procés pot durar 3-4 mesos. Recentment s’han posat a punt molècules que, en lloc d’actuar com a agonistes del GnRH, actuen com a antagonistes, és a dir, s’uneixen fortament al receptor però no provoquen cap efecte. Aquests compostos redueixen la concentració d’andrògens directament —sense retroalimentació negativa— i no presenten l’inconvenient dels increments de concentració d’andrògens en començar el tractament. EPO: més enllà dels ciclistes tramposos L’eritropoetina (EPO) és una glicoproteïna que se sintetitza majoritàriament al ronyó, i que té les importants funcions d’estimular la producció de glòbuls rojos i la biosíntesi d’hemoglobina. Una de les funcions del ronyó és, precisament, regular la producció de glòbuls rojos. Per això, no és gens estrany que en casos de disfuncions renals la quantitat de glòbuls rojos sigui insuficient i la persona esdevingui anèmica. Aquestes anèmies, que poden arribar a ser molt greus, avui en dia, es poden controlar molt bé administrant EPO. De fet, a prop de la meitat de les persones que se sotmeten a diàlisi se’ls administra EPO de manera sistemàtica.

superin els milers de milions d’euros i que, de fet, l’EPO encapçali el rànquing de vendes de les proteïnes terapèutiques. Anticossos a la carta Els grans avenços en immunologia i en biologia molecular han permès avui en dia desenvolupar els anomenats anticossos terapèutics. Són molècules dissenyades especialment per ser utilitzades com a medicaments gràcies a la seva capacitat per unir-se de manera molt específica a una molècula diana i tenir així un efecte beneficiós per a la salut. Un dels primers fàrmacs d’aquest tipus que ha arribat al mercat és l’anticòs monoclonal anomenat trastuzumab (conegut també com a herceptin). Les cèl·lules tumorals sobreexpressen sovint certs receptors a la seva superfície. Es tracta de molècules que en una cèl·lula normal es troben presents en molt petita quantitat, però que en cèl·lules tumorals són extraordinàriament abundants. Un cas típic de receptor sobreexpressat en cèl·lules tumorals és l’anomenat HER2/neu. La sobreexpressió de HER2/neu és freqüent en diferents tumors (figura 5), entre ells en un 25-30 % dels càncers de mama. La presència de HER2/neu és sovint un indicador d’una mala evolució de la malaltia: desenvolupament de resistències a les quimioteràpies tradicionals, risc més gran d’invasió d’altres teixits, etc. Trastuzumab és un anticòs monoclonal que és capaç d’unir-se de manera molt específica als receptors HER2/ neu que se sobreexpressen en les cèl·lules de determinats tipus de tumors.

Els processos cancerosos estan també sovint associats amb anèmies greus. D’una banda, tenim el cas de la leucèmia i, d’altra banda, tenim el cas de l’anèmia que és sovint un efecte secundari no desitjat de l’ús de la quimioteràpia. En definitiva: disfuncions renals, anèmies oncològiques, tractaments anti-VIH, etc. són ocasions en les quals l’ús d’EPO resulta vital. No és estrany, doncs, que des d’un punt de vista econòmic les vendes anuals (legals) d’EPO

Figura 5: Estructura tridimensional del complex format entre HER2/neu i trastuzumab.

Què fa la biotecnologia per a mi?

Quan l’anticòs s’uneix al receptor, actuen per mecanismes que avui dia encara no estan del tot clars, provocant l’aturada del cicle cel·lular i evitant-ne la proliferació. L’ús de trastuzumab queda restringit, doncs, a aquells casos en els quals hi ha sobreexpressió de HER2/neu. En aquestes situacions, però, té un efecte extremament beneficiós, combinat amb quimioteràpia tradicional, per reduir molt els riscos de recidiva del tumor o metàstasi. Per determinar si un tumor expressa o no HER2/ neu es disposen de diferents mètodes immunohistoquímics o fluoromètrics que es poden dur a terme amb una mostra de teixit tumoral procedent d’una biòpsia o de la intervenció quirúrgica d’extracció del tumor. Comentari final: com es fabriquen els pèptids i les proteïnes? Un inconvenient en la utilització de pèptids i proteïnes terapèutics és el seu cost degut a les dificultats per obtenir-los. El cost del trastuzumab per tractar un únic cas de càncer de mama pot fàcilment superar els 60.000 euros. Actualment, es disposa de dos grans mètodes d’obtenció: la síntesi química i la biosíntesi. En el primer cas s’utilitza principalment el mètode anomenat de síntesi en fase sòlida que consisteix a assemblar químicament els aminoàcids que componen la seqüència peptídica, de manera successiva, sobre unes boles microscòpiques de material polimèric. En acabar, es trenca l’enllaç químic que uneix la cadena peptídica al polímer i es purifica el pèptid. Aquest és el mètode que es fa servir, per exemple, per preparar els anàlegs de GnRH o, fins I tot, el T-20 (també anomenat Fuzeon), un pèptid de 36 aminoàcids que s’utilitza per al tractament de la sida en malalts que han desenvolupat resistències contra els antivirals més convencionals. Per a molècules de mida més elevada, es prefereix utilitzar mètodes biosintètics que es basen en la utilització de la maquinària de biosíntesi de proteïnes d’organismes vius com Escherichia coli, cèl·lules animals o vegetals per a la síntesi de proteïnes. Així per exemple, tant l’EPO com el trastuzumab es fabriquen utilitzant cultius de cèl·lules animals. Destaca de cara al futur el desenvolupament i el cultiu de plantes transgèniques que permetin la producció a costos molt baixos de proteïnes d’ús terapèutic tan interessants o més que les esmentades en aquest assaig.

Creative Commons BY: bortescristian

QUÈ FA LA BIOTECNOLOGIA PER A MI?

EM CURA

LA GRIP!

Què fa la biotecnologia per a mi?

EM CURA

QUÈ ENS DIU

LA GRIP!

EL CIENTÍFIC?

Els virus infecciosos tenen proteïnes específiques que són les causants de les malalties com la grip, l’hepatitis o la sida. La biotecnologia ens permet conèixer l’estructura d’aquestes proteïnes mitjançant la cristal·lografia de raigs X, de manera que ens facilita el disseny de fàrmacs que s’hi uneixin, com una clau encaixa en un pany, i que en bloquegin l’acció.

Raigs X

Xavier Gomis-Rüth i Maria Solà Institut de Biologia Molecular de Barcelona (CSIC) Quant temps, quants diners i quantes persones es necessiten per...? Depèn moltíssim. Si s’ha de començar des del principi, clonant el gen d’interès I desenvolupant un protocol de purificació i cristal· lització i de resolució estructural, doncs fàcilment 50.000 euros (incloent-hi els sous d’una o dues persones). Si la proteïna ve d’un altre laboratori i podem fer servir les instal· lacions i el personal del qual disposem, doncs potser uns 10.000 euros. Això comptant que tot vagi bé. On es fa la cristal·lografia de raigs X? Hi ha algun aparell d’aquestes característiques a Catalunya? A hores d’ara, hi ha l’equipament que tenim a la plataforma conjunta CSIC/IRB/PCB, la Plataforma Automatitzada de Cristal·lografia (vegeu www.pcb.ub.es/homePCB/live/ct/p1365.asp). A més a més, s’està construint el sincrotró del Vallès, l’ALBA (www.cells.es). I de moment, estem anant de l’ordre d’un cop al mes al sincrotró de Grenoble a França (www.esrf.fr).

Has curat la grip a algú? Doncs no. Com a investigador, crec que hem de ser responsables i tenir molta cura d’allò que diem que podem fer i que es pot arribar a fer amb els nostres descobriments. Sempre dic que els nostres resultats són una base molt inicial per al desenvolupament de possibles noves aproximacions terapèutiques.

APLICACIONS

EN VOLS SABER MÉS?

Aquesta biotecnologia s’ha aplicat en diversos casos per crear fàrmacs per tractar:

Si vols ampliar els teus coneixements sobre aquest tema pots consultar l’article del doctor Xavier Gomis-Rüth i la doctora Maria Solà, «L’estructura tridimensional de proteïnes com a motlle per al desenvolupament de fàrmacs» o entrar a la pàgina web de la XRB.

a) Glaucoma (dorzolamida) b) Grip vírica (zanamivir, oseltamivir –Tamiflu–) c) Hepatitis B (telbivudina) d) Sida (saquinavir, ritonavir, indinavir, amprenavir, lopinavir, tipranavir)

Així mateix, també pots consultar la pàgina web dels grups de recerca de M. Solà i F. X. Gomis-Rüth (www.ibmb.csic.es/home/msola i www.ibmb.csic.es/home/xgomis) o enviar-los un correu electrònic (msvcri@ibmb.csic.es i xgrcri@ibmb.csic.es) i visitar la pàgina web del sincrotró ALBA (www.cells.es).

Què fa la biotecnologia per a mi?

L’estructura tridimensional de proteïnes com a motlle per al desenvolupament de fàrmacs Xavier Gomis-Rüth i Maria Solà Institut de Biologia Molecular de Barcelona (CSIC)

El nostre cos i el seu funcionament són el resultat de l’acció complementària de tot un ventall d’òrgans i teixits que interaccionen de manera concertada perquè tot funcioni coherentment. Cada òrgan i cada teixit està constituït per diferents tipus de cèl·lules que duen a terme funcions específiques característiques d’aquell òrgan, com són les neurones, les cèl·lules epitelials, els leucòcits o els eritròcits. Però, què és el que permet a cada cèl·lula dur a terme la seva tasca? Si ens apropéssim molt a una cèl·lula, veuríem que la forma i els compartiments, o l’assimilació de nutrients, el metabolisme i l’excreció de residus depenen de les molècules que les constitueixen. De la mateixa manera, les propietats específiques cel·lulars depenen de molècules concretes presents segons l’especialitat: en els eritròcits, la molècula hemoglobina coordina l’oxigen perquè pugui ser transportat; en els leucòcits s’hi troben els anticossos, que són molècules que s’uneixen als elements estranys al nostre cos identificant-los com a «externs i perillosos»; les neurones transmeten l’impuls nerviós enviant unes petites molècules (neurotransmissors) que seran rebudes per unes molècules de grans dimensions (receptors) de la neurona veïna, la qual iniciarà la propagació del senyal nerviós, etc. Tant aquestes molècules específiques com les comunes a tots els tipus cel·lulars són agents estructurals (conferint la forma) o funcionals (duent a terme les reaccions bioquímiques) de les cèl·lules, que, al seu torn, fan que cada òrgan i cada teixit tingui una funció particular dins del sistema integrat que és el cos. Per tant, les molècules són les responsables en última instància dels processos biològics. Això també comporta que les malalties que patim es deguin, en molts casos, a l’acció incorrecta de les molècules biològiques. D’entre els diferents tipus moleculars distingiríem els lípids, els hidrats de carboni, els àcids nucleics i les proteïnes. Els lípids són el component majoritari de les membranes que envolten els orgànuls i les cèl·lules, els carbohidrats tenen un paper molt important en el reconeixement cel· lular i en l’emmagatzemament de l’energia, els àcids nucleics codifiquen la informació genètica i serveixen com a missatgers i sintetitzadors de proteïnes, mentre

que les proteïnes tenen funcions catalítiques, de transport, estructurals, defensives, etc. En aquest article esbrinarem com són aquestes darreres, les proteïnes. Taula 1: Aminoàcids més freqüents en les proteïnes Nom

Codi Polaritat Cadena lateral

Alanina

apolar

hidrofòbica

Arginina

polar

molt bàsica

Asparagina

polar

neutral

Àcid aspàrtic

polar

àcida

Cisteïna

polar

hidrofòbica

Àcid glutàmic

polar

àcida

Glutamina

polar

neutral

Glicina

apolar

neutral

Histidina

polar

poc bàsica

Isoleucina

apolar

molt hidrofòbica

Leucina

apolar

molt hidrofòbica

Lisina

polar

bàsica

Metionina

apolar

hidrofòbica

Fenilalanina

apolar

hidrofòbica

Prolina

apolar

neutral

Serina

polar

neutral

Treonina

polar

neutral

Triptòfan

apolar

neutral

Tirosina

polar

neutral

Valina

apolar

molt hidrofòbica

Des d’un punt de vista químic, les proteïnes són cadenes lineals d’uns compostos biològics enllaçats anomenats aminoàcids. Els aminoàcids s’uneixen formant una cadena similar a un collaret de fins a vint tipus de perles diferents que s’ordenen i es repeteixen segons la proteïna. A més a més, cada proteïna té un nombre determinat d’aminoàcids. Cada un dels vint aminoàcids té una estructura química particular, que li confereix un caràcter especial i un nom (simbolitzat amb una lletra; taula 1). Tots els aminoàcids comparteixen una estructura química bàsica que consisteix en un carboni central flanquejat per uns extrems amino i carboxiterminals (figura 1A). En canvi, allò que els diferencia és la natura-

Què fa la biotecnologia per a mi?

lesa química de la cadena lateral que penja del carboni central. Cada aminoàcid té una cadena lateral que combina característiques estructurals (és curta o llarga, petita o voluminosa) i químiques (interacciona favorablement o desfavorablement amb l’aigua i/o amb els greixos). Per tant, segons la cadena lateral, cada aminoàcid té unes propietats especials; per exemple, és voluminós i interactua desfavorablement amb l’aigua o, al contrari, és petit i soluble en aigua. Els aminoàcids es connecten entre ells mitjançant un enllaç químic anomenat peptídic, que uneix l’extrem carboxiterminal de l’un amb l’aminoterminal del següent, cosa que dóna lloc a la cadena peptídica. La seqüència resultant, específica de cada proteïna, s’anomena estructura primària (figura 1B).

Malgrat la comparació que hem fet, quasi mai trobarem una cadena polipeptídica estesa i relaxada com un collaret abandonat dins d’un joier. Ans al contrari, una proteïna es plega de manera que els aminoàcids interaccionen entre ells adoptant, la cadena polipeptídica, formes estables més o menys canòniques de tres dimensions. Una de les conformacions clàssiques és el full beta, on uns quants aminoàcids es disposen de forma recta i rígida, fent una estructura estesa com la d’un bastonet, i estableixen contactes laterals amb altres parts de la proteïna amb una estructura similar, de manera que donen lloc a una organització de la cadena polipeptídica semblant a la d’una persiana. Aquestes regions de conformació estesa s’anomenen cadenes beta

C D

Figura 1: (A) Arquitectura d’un aminoàcid (esquerra) i la seva representació química. Les cadenes laterals es representen amb una R. (B) Estructura primària d’una proteïna, una cadena d’aminoàcids connectats per enllaços peptídics. Els extrems de la cadena s’anomenen amino- (H2N, a l’esquerra) i carboxiterminal (COOH, dreta) i normalment s’abreuja N- i C-terminals. (C) A dalt: exemple d’estructura secundària del tipus full beta, constituïda per tres cadenes beta paral·leles estabilitzades per interaccions atòmiques específiques (traços rosa). A sota: a nivell esquemàtic, les cadenes beta es representen com fletxes que van de l’extrem N- al C-terminal (cap de la fletxa). Existeixen els fulls beta paral·lels (esquerra), antiparal·lels (dreta) i mixtos. (D) Representació d’una hèlix alfa, que s’organitza a partir d’interaccions específiques dins la mateixa cadena que es corba i adopta una estructura d’escala de cargol. A la dreta, representació esquemàtica com una cinta.

Què fa la biotecnologia per a mi?

Taula 2: Exemples de medicaments obtinguts mitjançant DFE. Principi actiu

Biomolècula diana

Dorzolamida anh. carbònica

Malaltia

Any d’aprov.

glaucoma

1995

Zanamivir

neuroaminidasa grip vírica

1999

Oseltamivir

neuroaminidasa grip vírica

1999

Saquinavir

inhibidors de la proteasa àcida

1995

sida

Ritonavir

1996

Indinavir

1996

Amprenavir

1999

Lopinavir

2000

Tipranavir

2005

d’ona molt més curta. Precisament per aquestes propietats es fan servir per fer les radiografies que permeten al metge veure els òrgans i ossos. I per què fem servir la radiació X en comptes d’algun altre tipus de radiació? Aquí hi té un paper fonamental una altra llei física: per poder estudiar un objecte hem de fer servir una radiació d’una longitud d’ona semblant a la mida de l’objecte. Volem veure els àtoms de les proteïnes i determinar els enllaços químics entre àtoms veïns i, com que aquests estan en el rang dels nanòmetres, hem de fer servir una radiació d’aquesta longitud d’ona.

i es representen gràficament amb una fletxa (figura 1C). La cadena polipeptídica també es pot estructurar en forma d’espiral, adoptant la conformació d’hèlix alfa (figura 1D). Aquests dos elements, els fulls beta i les hèlixs alfa, juntament amb les formes d’estructura irregular, s’anomenen estructura secundària d’una proteïna.

Un altre punt important de la CRX és que encara que la difracció es pot fer sobre una molècula aïllada, l’efecte obtingut és massa feble per detectar-lo. Per amplificar aquest senyal i fer-lo mesurable cal un nombre molt elevat de molècules idèntiques. El truc per aconseguir-ho és cristal·litzar la proteïna, és a dir, formar un cristall on milions de molècules estiguin ordenades en una xarxa cristal·lina, com un mur tridimensional de maons idèntics. Cada maó seria la unitat estructural mínima independent que, mitjançant translacions en les tres direccions de l’espai, es repetiria milions de vegades amb la mateixa orientació i disposició.

La disposició tridimensional d’estructures secundàries en l’espai s’anomena estructura terciària. L’estructura terciària d’una proteïna és relativament estable, ordenada i està determinada pels seus pilars bàsics, els aminoàcids disposats en una seqüència específica i pròpia de cada cas. Vistes des de fora, les proteïnes tenen una estructura globular, allargada, en lòbuls o plana, i adopten la forma adequada que els permetrà dur a terme la seva funció.

Una vegada tenim un cristall de la proteïna d’interès, el fem interaccionar amb un feix de raigs X i això dóna lloc a un patró de difracció d’aquests raigs que podem recollir en un detector especial. Podem fer raigs X amb generadors petits, que caben als laboratoris de cristal·lografia, o bé podem anar a un sincrotró, com el que aviat tindrem a prop de la Universitat Autònoma, a Cerdanyola del Vallès, l’ALBA (figura 2), que tindrà una de les línies de llum dedicada a la CRX, la XALOC.

Com podem veure l’estructura de les proteïnes? Hem de tenir en compte que les proteïnes són de l’ordre de desenes a centenars de nanòmetres (1.000.000.000 nm = 1 m). La seva estructura no es pot veure ni amb els microscopis més potents. És per això que es va desenvolupar una tècnica denominada cristal·lografia de raigs X (CRX) per poder-la observar. La CRX es basa en un efecte físic segons el qual els raigs X són difractats pels electrons dels àtoms de la molècula que volem estudiar. La radiació X és una radiació electromagnètica (de fet, com la llum del sol), però amb molt més poder de penetració, és a dir, amb molta més energia i d’una longitud

A Catalunya, els que ens dediquem a aquesta feina, de moment, anem molt sovint al sincrotró ESRF a Grenoble (França). Les dades de difracció es processen mitjançant tècniques computacionals amb ordinadors i, després de resoldre un problema intrínsec de la CRX anomenat problema de les fases, s’obté la densitat electrònica de la nostra molècula. La densitat electrònica és un mapa tridimensional que ens permet construir la nostra proteïna com si anéssim amb un camió d’obres públiques seguint una carretera nova que ningú no ha fet servir mai i anéssim pintant els senyals viaris al terra, marcant-la. Com ja sabem, l’estructura primària, és a dir,

telbivudine

ADN-polimerasa

hepatitis B 2006

Què fa la biotecnologia per a mi?

la seqüència d’aminoàcids, i els àtoms que componen cadascun dels aminoàcids, poden construir la molècula sencera mitjançant programes informàtics com els que s’empren a la indústria de l’automòbil o els videojocs. Una vegada tenim la nostra molècula construïda, sabem exactament la posició de tots i cadascun dels àtoms que la componen. Tenim moltes maneres de representar aquesta informació: un model de boles, on cada àtom és una esfera; un model de cintes, on es fa passar un tub prim per tots i cada un dels carbonis centrals de la cadena polipeptídica i on les cadenes beta es representen amb fletxes i les hèlixs alfa amb cintes; o bé un model de la superfície electrònica, que ens dóna una idea més acurada de la forma de la nostra molècula (figura 3). Cada model té avantatges i inconvenients, però, en qualsevol cas, la informació que tots ells contenen ens permet respondre tot un ventall de preguntes:

podem (1) descobrir com es plega i quina forma té una proteïna; (2) descobrir proteïnes que corresponen a una mateixa família estructural malgrat que les seqüències d’aminoàcids no s’assemblin; (3) esbrinar com proteïnes que col·laboren en tasques bioquímiques específiques interactuen entre si o com interaccionen amb l’ADN, els lípids o els carbohidrats; (4) veure exactament com són els centres actius de proteïnes que actuen com a biocatalitzadors —els enzims—, com uneixen els seus substrats i esbrinar els mecanismes de reacció i (5) dissenyar inhibidors molt específics que puguin esdevenir nous medicaments. Aquesta última aplicació és la que ens interessa més des del punt de vista biotecnològic perquè és la que es tradueix de manera més directa en una finalitat pràctica important: permet curar malalties. Hem de tenir en compte que els fàrmacs que prenem cada vega-

C Figura 2: (A) Generador de raigs X a la Plataforma Automatitzada de Cristal·lografia del Parc Científic de Barcelona (http://www.pcb.ub.es/ homePCB/live/ct/p1365.asp), mantinguda conjuntament pel Consell Superior d’Investigacions Científiques i pel Parc Científic de Barcelona. (B) Detall del detector emprat per recollir dades de difracció dels cristalls. (C) Imatge del sincrotró ALBA (http://www.cells.es). Imatges cedides pel Consorci CELLS-ALBA.

Què fa la biotecnologia per a mi?

Figura 3: Exemples de la representació de l’estructura tridimensional de proteïnes. (A) Model de boles, on tots els àtoms es representen com a esferes; els carbonis en blanc, els nitrògens en blau, els oxígens en vermell i els sofres en verd; (B) Diagrama de cinta, on un fil gruixut (de color groc) es fa passar per tots els carbonis alfa de la molècula i on les hèlixs alfa es presenten com a cintes (vermelles) i les cadenes beta com a fletxes (blau cel). També es poden representar els ions presents en l’estructura (ions calci en groc i ions zinc en fúcsia en l’exemple) i inhibidors, com l’unit al centre catalític en traç verd; (C) Model que representa la superfície total de la proteïna (semitransparent, en blau cel) i model de la proteïna representat pels seus enllaços químics interatòmics (en groc). Aquesta vista ens permet apreciar la forma de la proteïna i, p. ex., la cavitat que forma el centre catalític ocupat aquí per un petit inhibidor, també presentat amb la seva superfície (blau intens). L’inhibidor s’ajusta a l’enzim com una clau al seu pany (D).

Què fa la biotecnologia per a mi?

da que ens posem malalts tenen un efecte curatiu o pal·liatiu perquè en la majoria dels casos actuen sobre alguna proteïna, la molècula diana, que fa una tasca molt específica dins el cos. En cas de malaltia, la proteïna «treballa» de manera descompensada, a vegades a causa d’una activitat excessiva i d’altres per manca d’activitat o activitat insuficient. La finalitat d’un fàrmac és contrarestar a escala molecular la descompensació patològica. Fins fa alguns anys, el desenvolupament d’un fàrmac es basava en l’assaig per prova i error de substàncies químiques contingudes en llibreries gegants de compostos químics a l’abast de les grans companyies farmacèutiques. És paradigmàtic el cas de la suïssa Sandoz, amb els seus 300.000 compostos químics. Aquests compostos eren assajats directament contra la proteïna problema sense investigar les interaccions concretes entre la proteïna i el compost assajat. No obstant això, des de llavors s’ha anat desenvolupant una aproximació alternativa més sistemàtica. Actualment, el disseny de fàrmacs es basa en un disseny racional basat en l’estructura (DFE) de la proteïna problema, és a dir, en la informació tridimensional de les biomolècules involucrades directament en una malaltia. Es tracta de fer servir l’estructura polipeptídica com a motlle sobre el qual dissenyar un inhibidor o activador de la funció proteica. Aquest disseny és un procés iteratiu durant el qual es parteix d’una col·lecció de compostos que s’incuben amb la proteïna problema, es determina experimentalment per CRX l’estructura tridimensional del complex format per la proteïna i el compost, i s’analitzen les interaccions entre els dos per poder dissenyar un compost que millori les interaccions observades. El compost dissenyat se sintetitza químicament i es verifica la capacitat que té d’alteració de l’activitat de la proteïna diana. En cas que tingui els efectes desitjats, es determina un altre cop l’estructura del complex entre el nou compost i la proteïna i així es reinicia tot el procés. Una variant d’aquest procés és la selecció dels compostos inicials que s’han de provar mitjançant càlculs bioinformàtics que tenen en compte la forma del centre actiu de la proteïna. Un símil del que es vol aconseguir amb el disseny d’un fàrmac seria el disseny d’una clau que encaixi perfectament amb el pany d’una porta: obtenir la clau específica (un medicament) per obrir (activar) o tancar (inhibir)

una porta concreta (l’activitat d’una proteïna). Aquesta clau té l’avantatge de no servir per a altres panys o ferho de manera molt poc eficient i això vol dir que no tindrem efectes secundaris (no s’obren altres portes que no volem) o molts pocs, en qualsevol cas, molts menys que si emprem un fàrmac d’ample espectre, comparable a una clau mestra. El primer exemple d’un resultat positiu del DFE va ser la dorzolamida, un inhibidor de l’enzim anhidrasa carbònica, aprovat com a medicament el 1995 com a agent terapèutic per combatre el glaucoma, una malaltia ocular que pot produir ceguesa. Un altre exemple és l’imatinib, un inhibidor dels enzims tirosina-cinases, dissenyat contra la leucèmia. En la taula 2 es presenten alguns exemples més, com l’oseltamivir, comercialitzat amb el nom de Tamiflu, que va saltar l’any passat a les pàgines dels diaris per l’acumulació que en van fer els governs occidentals en previsió d’una epidèmia de grip aviar asiàtica, que, afortunadament, no va arribar. Tot i així, l’èxit més destacat del DFE ha estat el disseny d’inhibidors de l’enzim proteasa aspàrtica, un dels elements clau utilitzats pel virus de la sida durant el seu cicle infecciós de les cèl·lules del sistema immunitari. Aquests estudis van donar lloc als principis actius saquinavir, ritonavir i indinavir, que foren els primers medicaments realment eficaços per tractar la malaltia de la sida i que, en combinació amb anàlegs de nucleòsids, han permès als malalts de sida una millora notable de la seva qualitat i esperança de vida, fent que en l’actualitat hagin esdevingut malalts crònics. Així, la biologia estructural, especialment la CRX, presta un servei a la societat com a eina per al desenvolupament de nous lligands molt específics, candidats a esdevenir nous fàrmacs que ens permetin curar o pal·liar les malalties que ens afecten.

QUÈ FA LA BIOTECNOLOGIA PER A MI? TRANSFORMA ELS

BACTERIS

EN FÀBRIQUES DE MEDICAMENTS!

Què fa la biotecnologia per a mi?

TRANSFORMA ELS

BACTERIS

QUÈ ENS DIU

EN FÀBRIQUES DE MEDICAMENTS!

EL CIENTÍFIC?

La causa de moltes malalties que pateixen els humans es deu a la falta o al mal funcionament d’una proteïna, com és el cas de la diabetis, en la qual la manca d’insulina provoca importants problemes per als individus que la pateixen. La biotecnologia ens permet modificar bacteris perquè produeixin aquestes proteïnes, que, en última instància, podrem donar als malalts en forma de medicament. Cada proteïna està codificada per un gen, com si fos un llibre d’instruccions. Aquest gen es pot introduir dins d’un bacteri ((1) transformació), que, llegint les instruccions corresponents, podrà fabricar la proteïna d’interès ((2) creixement i expressió). Finalment, cal purificar aquesta proteïna I administrar-la als pacients en forma de medicament ((3) extracció i purificació).

David Resina Universitat Autònoma de Barcelona Quants diabètics hi ha al nostre país I quants es beneficien d’aquesta tecnologia? A Espanya hi ha uns 300.000 diabètics i tots es podrien beneficiar d’aquesta tecnologia. No hi ha perill que aquest medicament pugui tenir bacteris que ens facin mal? En tot procés d’obtenció de medicaments se separa la proteïna d’interès de la resta de substàncies que hi ha al cultiu, les cèl·lules i restes de proteïnes del microorganisme. Així s’obté una proteïna pura que no conté contaminants d’origen microbià. Aquesta puresa és molt important en el cas de productes d’ús terapèutic, però no és tan important quan les persones no han de consumir directament el producte. A més a més, els microorganismes que s’utilitzen per produir aquestes proteïnes recombinants ―ja siguin bacteris, llevats o fongs― no són mai microorganismes que siguin patògens dels humans, o són soques que han estat modificades per eliminar-ne la patogenicitat, ja que, òbviament, treballar amb ells implicaria molts riscos.

Hi ha alguna altra malaltia que es pugui tractar amb aquest tipus de medicaments? En l’àmbit de les aplicacions terapèutiques, trobem molts exemples de proteïnes recombinants, com ara l’interferó, que es fa servir per tractar l’esclerosi múltiple; l’hormona humana del creixement, amb la qual es tracten problemes de creixement i d’obesitat; la vacuna contra el virus de la hepatitis B; o la hirudina, una proteïna originària de les sangoneres que es produeix en llevats modificats genèticament i que es fa servir com a anticoagulant per evitar trombosis.

APLICACIONS

EN VOLS SABER MÉS?

Les tècniques d’expressió recombinant de proteïnes en microorganismes permeten la producció d’insulina per al tractament dels malalts de diabetis, així com la millora de la producció de diferents tipus d’aliments com ara el pa, la cervesa, el vi, el vinagre, el iogurt, etc.

Si vols ampliar els teus coneixements en aquest tema pots consultar l’article del doctor David Resina «Què fa la biotecnologia per a mi? Transforma els microorganismes en fàbriques de medicaments» o consultar la pàgina web de la XRB. També pots consultar el llibre Bioquímica i microbiologia industrial d’Albert Bordons, publicat per la Universitat Rovira i Virgili.

Què fa la biotecnologia per a mi?

TRANSFORMAR ELS MICROORGANISMES EN PETITES FÀBRIQUES DE PROTEÏNES David Resina Universitat Autònoma de Barcelona

Per a la biotecnologia, un dels objectius més importants és l’obtenció d’un producte final. Aquests productes poden ser de molts tipus i orígens diferents, i hi trobem moltes proteïnes, entre d’altres. Les proteïnes són molècules formades per cadenes d’aminoàcids i constitueixen, sense comptar l’aigua, el 50 % del pes dels éssers vius. Les proteïnes són les molècules encarregades de dur a terme les funcions vitals dels organismes actuant de maneres diferents: algunes són hormones; altres transporten substàncies, com l’hemoglobina, encarregada de transportar l’oxigen a la sang; altres proteïnes són enzims, és a dir, molècules que ajuden a produir reaccions bioquímiques; algunes proteïnes també tenen funcions estructurals, com per exemple la queratina, que és la proteïna que forma les nostres ungles i els nostres cabells. Hi ha milers de proteïnes d’origen animal, vegetal o microbià, cadascuna amb unes funcions i unes característiques diferents. Algunes d’aquestes proteïnes tenen funcions que les fan especialment interessants per als humans, ja que es poden fer servir com a fàrmacs, vacunes, o per fer reaccions en processos industrials. Les proteïnes, a causa de la seva estructura complexa, no es poden sintetitzar artificialment, només les cèl·lules dels éssers vius tenen la maquinària necessària per ferho. Aquest fet, unit a la gran varietat de proteïnes que hi ha, les converteix en un producte d’alt valor afegit. En alguns casos, l’obtenció de les proteïnes d’interès a partir de la seva font natural és molt costosa i, a causa de la gran demanda existent, ha arribat un punt on aquesta obtenció ha deixat de ser rendible. Això ha afavorit que es busquin fonts alternatives per obtenir-les. Aquest fet ha estat possible amb l’arribada de la tecnologia de l’ADN recombinant i les seves aplicacions. Aquesta tecnologia ha permès que els microorganismes produeixin proteïnes com a pròpies, tot i que aquestes provinguin d’altres éssers vius. Aquestes proteïnes s’anomenen proteïnes recombinants. L’any 1978 es va aconseguir produir per primer cop una proteïna humana en un microorganisme, la proteïna en qüestió era la insulina i va ser produïda per un bacteri

anomenat Escherichia coli. Des de llavors, s’ha produït moltes més proteïnes en aquest microorganisme i en d’altres. La vida a l’altra banda del microscopi Els microorganismes es coneixen des del segle XIX, quan científics com ara Louis Pasteur els van identificar i aïllar. Aquests organismes unicel·lulars de mida tan petita que només es poden veure sota el microscopi es troben distribuïts per tota la Terra. Tot i ser minúsculs, són un exemple de la diversitat metabòlica i de l’habilitat per colonitzar els ecosistemes amb condicions ambientals més extremes. S’han trobat microorganismes ocupant hàbitats tan diversos com les fonts hidrotermals submarines o el gel polar. Aquests organismes tenen la facultat d’augmentar de nombre molt ràpidament, ja que es reprodueixen normalment per divisió o gemmació i d’aquesta manera generen còpies idèntiques d’ells mateixos. Això ens permet cultivar-los i assolir-ne un gran nombre en poc temps. Fa segles que la humanitat va aprendre a aprofitar les habilitats metabòliques dels microorganismes per produir pa, vi, formatges, vinagre, iogurt i moltíssims productes més. Ara, la biotecnologia moderna ens permet manipular genèticament aquests microorganismes perquè produeixin qualsevol proteïna d’origen humà, animal, vegetal o microbià que ens sigui d’interès. Actualment, els microorganismes que més es fan servir per produir proteïnes recombinants són els bacteris anomenats Escherichia coli i Bacillus subtilis, i els llevats Saccharomyces cerevisiae i Pichia pastoris (figura 1).

Figura 1: A l’esquerra, una fotografia al microscopi d’un cultiu del bacteri Escherichia coli; a la dreta, fotografia d’un cultiu del llevat Pichia pastoris. Ambdues ampliades mil vegades.

Què fa la biotecnologia per a mi?

Figura 2: Cultius en flascó del bacteri Escherichia coli modificat genèticament per produir una proteïna recombinant i fermentador a escala de laboratori.

La insulina, el primer producte recombinant Com ja hem comentat, la primera proteïna humana que es va produir en un microorganisme va ser la insulina. A causa de l’increment de la demanda d’insulina a tot el món, les companyies farmacèutiques van engegar una cursa per poder ser el primer fabricant mundial d’aquesta substància. La insulina és una hormona que es produeix al pàncrees i té la funció de regular els nivells de glucosa a la sang. Si no es produeix aquesta proteïna, es desenvolupa una malaltia anomenada diabetis, que afecta milions de persones. Anteriorment a la producció per la via biotecnològica, la insulina que prenien els diabètics s’obtenia del pàncrees de porcs i vedells. Aquest procés era molt costós i, com a alternativa, es va buscar la manera de produir la insulina humana en un microorganisme. En primer lloc, els investigadors van determinar la seqüència de l’ADN del gen de la insulina humana. Cada proteïna està codificada per un gen que es troba dins de l’ADN, com si fos un llibre d’instruccions. Un cop coneguda aquesta seqüència, mitjançant tècniques d’ADN recombinant, es va posar aquest gen dins un plasmidi. Els plasmidis són fragments d’ADN circular que es fan servir per portar gens d’un organisme a un altre. Un cop introduït el gen de la insulina dins el microorganisme, aquest llegeix el llibre d’instruccions de la insulina i comença a fabricar la proteïna com si fos seva, actuant com una petita fàbrica (figura 2). El cultiu de microorganismes modificats genèticament Un cop s’ha aconseguit que un llevat o un bacteri expressi una proteïna recombinant, el pas següent és fer créixer aquests microorganismes per obtenir quantitats

suficients del producte d’interès. El recipient on es fan créixer els microorganismes a escala industrial s’anomena fermentador o bioreactor. Aquests fermentadors també s’utilitzen a escala molt més petita al laboratori abans de passar als grans fermentadors industrials. Els fermentadors que s’empren al laboratori solen tenir un volum d’entre 5 i 10 litres, mentre que els fermentadors industrials poden arribar a 500.000 litres. Abans de cultivar els microorganismes en fermentador s’utilitzen flascons de vidre, com els que podem veure en la figura 2A, on es fan experiments per determinar la composició del medi de cultiu òptim. Per fer créixer els microorganismes en bioreactor cal conèixer les seves necessitats pel que fa a nutrients, vitamines, oxigen, temperatura o pH. Cada microorganisme té unes condicions de creixement òptimes que cal conèixer o investigar perquè la producció de la nostra proteïna sigui òptima. Esbrinar quines són aquestes condicions òptimes és la feina dels investigadors que treballen amb fermentadors de laboratori com el que es mostra en la figura 2B. El fet de treballar amb bioreactors ens permet visualitzar tota una sèrie de paràmetres que són clau per al creixement dels microorganismes. Els fermentadors posseeixen diferents sondes o instruments de mesura que en tot moment ens informen d’allò que està passant al cultiu. D’aquesta manera, podem saber la concentració de microorganismes que tenim, la temperatura, la concentració d’oxigen, el pH i altres variables. A més, podem actuar sobre el fermentador per controlar que aquests paràmetres es mantinguin com l’investigador vol. Amb ordinadors connectats en línia al fermentador podem fer càlculs matemàtics complexos per predir com es comportaran els microorganismes en aquestes condicions i així tenir un procés més controlat i automatitzat.

Què fa la biotecnologia per a mi?

El procés per passar del cultiu a escala de laboratori a escala industrial s’anomena escalat, i se sol passar per una escala intermèdia anomenada escala pilot. Finalment, la recuperació de la proteïna d’interès es duu a terme a través d’una sèrie de passos que estan englobats dins de l’etapa anomenada purificació. L’objectiu de la purificació és separar la proteïna recombinant de la resta de proteïnes. Durant aquest procés, que pot arribar a ser molt laboriós, s’extreu la proteïna recombinant de les cèl·lules o del medi de cultiu separant-la de la resta partint de les seves propietats fisicoquímiques. Utilitzant les tècniques que hem vist, els beneficis de fer que els microorganismes produeixin proteïnes per a nosaltres són molt grans, perquè ens permeten aconseguir grans quantitats del producte i que no seria possible obtenir de manera natural. En el futur, s’espera que gràcies a la biotecnologia es puguin obtenir una gran varietat de proteïnes recombinants amb aplicacions tant en la medicina com en la indústria.

QUÈ FA LA BIOTECNOLOGIA PER A MI? EM NETEJA

LES PLATGES!

Què fa la biotecnologia per a mi?

EM NETEJA

LES PLATGES!

QUÈ ENS DIU

EL CIENTÍFIC?

Durant el transport de petroli, sovint tenen lloc accidents que provoquen un vessament massiu de petroli al mar, que ens embruten les platges i fan perillar l’estabilitat dels ecosistemes (1). Com que als nostres mars s’hi han abocat centenars de milers de tones d’hidrocarburs de manera accidental o intencionada, estan plens de bacteris que degraden el petroli, però ho fan de manera molt lenta (2). Els científics estudien aquests bacteris i poden avaluar quins productes, com ara el nitrogen i el fòsfor poden estimular aquests microorganismes accelerant i millorant el procés de degradació (3). Un cop s’han trobat quins són els agents bioestimulants òptims per al producte petrolífer concret que s’ha vessat, s’afegeixen al lloc de l’accident per netejar les platges afectades a través d’un procés que anomenem bioremediació (4).

Anna Maria Solanas Universitat de Barcelona Només hi ha bacteris als laboratoris? No. Justament ens seria difícil trobar algun lloc de la Terra on no hi haguessin bacteris. Els podem trobar en llocs sense oxigen, en aigües molt calentes o molt fredes, on no hi ha cap altre organisme capaç de viure-hi. Aquesta tecnologia s’ha emprat els últims anys per solucionar els vessaments de petroli com en el cas del Prestige? De moment, s’ha aplicat a la costa litoral I als sediments però no a mar obert. Inicialment, s’extreu la major quantitat possible de petroli per medis físics no destructors de la biota existent i és després quan es pot portar a terme la bioremediació. En el cas del Prestige, com en el d’altres vessaments de petroliers, el tipus de bioremediació que ha funcionat millor és la bioestimulació basada a afavorir el creixement dels bacteris que ja existeixen a les costes afectades, airejant i afegint-hi nutrients o tensioactius.

Però pot haver-hi algun perill en el fet d’abocar al medi ambient bacteris modificats al laboratori? Fins ara, en el cas de la bioremediació, els bacteris modificats genèticament no suposen una amenaça per a la flora autòctona, ja que estan acostumats a les condicions del laboratori (molt controlades I constants), mostren una baixa competitivitat quan s’alliberen al medi i la seva supervivència és limitada.

APLICACIONS

EN VOLS SABER MÉS?

Les tècniques de bioremediació que els científics fan servir per netejar les platges de vessaments d’hidrocarburs també es poden aplicar a la neteja d’aigües subterrànies, als sòls contaminats i a les aigües residuals. Cal tenir en compte que, a part d’estratègies de remediació, cal, alhora, minimitzar la contaminació ambiental i en aquest tema la biotecnologia també ens ajuda. Per exemple, permet la producció de biocombustibles més sostenibles i fa possible l’obtenció de bioplàstics que redueixen la contaminació.

Si vols ampliar els teus coneixements sobre aquest tema pots consultar l’article de la doctora Anna Maria Solanas «Els microorganismes i la contaminació ambiental» o consultar la pàgina web de la XRB.

Què fa la biotecnologia per a mi?

els microorganismes i la contaminació química ambiental Anna Maria Solanas Universitat de Barcelona

La biotecnologia ambiental està relacionada amb el medi ambient i amb la contaminació química. Aquesta ciència s’aproxima al problema de la contaminació des de tres vessants diferents: un està relacionat amb l’eliminació; l’altre, amb l’avaluació de la toxicitat i l’altre, amb la prevenció. Malgrat que, sovint, la societat associa els microorganismes amb malalties, infeccions i, fins i tot, amb la mort, en aquest article veurem que els microorganismes són les eines principals que utilitza la biotecnologia ambiental per afrontar els problemes generats per la contaminació química ambiental. Importància de la contaminació química del medi ambient A partir de la segona meitat del segle xx, la humanitat s’ha trobat amb un repte que amenaça tant la seva salut com la del planeta on habita: la contaminació química ambiental. El que durant molts anys hem qualificat com a progrés en diferents àrees, com ara el transport, la higiene, la construcció, l’agricultura o la salut, ha implicat mobilitzar materials que estaven immobilitzats (per exemple el petroli o els metalls pesants) o introduir nous productes de síntesi química com ara detergents, pintures, plàstics, materials aïllants, plaguicides, fàrmacs etc. Aquests productes s’originen en totes aquelles activitats que porten cap al seu ús: extracció, producció, emmagatzematge, transport, distribució i consum. Però malauradament, part d’aquests productes químics s’escapen accidentalment o intencionadament cap a l’ecosfera i produeixen una contaminació química del medi, de l’atmosfera, de les aigües dolces o marines, dels sediments o del sòls. Quan un contaminant arriba a l’ecosfera comencen a actuar sobre ell diferents processos físics, químics i biològics que dirigiran allò que anomenem el seu destí ambiental. Imaginem el cas d’una marea negra. Malgrat que la primera imatge que hi associem és la d’una au recoberta de petroli, és a dir, una imatge macroscòpica, hi ha tot un món microscòpic que ens passa desapercebut. En el moment en el qual es produeix un vessament de petroli al mar, els seus components, majoritàriament hidrocarburs, estan subjectes a canvis d’estat i a canvis de composició química a través de tot un seguit de proces-

sos físics, químics i biològics. De tots ells, en destaquen dos: la fotooxidació i la degradació microbiana, perquè són els únics que provoquen la transformació dels hidrocarburs en productes totalment innocus (com ara el diòxid de carboni i l’aigua) i suposen l’eliminació del problema. Ara bé, mentre que la fotooxidació només actua sobre les superfícies irradiades pel sol, la degradació microbiana pot actuar en tota la columna d’aigua, en el sediment i en les zones costeres afectades a causa de la ubiqüitat dels microorganismes. Sense cap mena de dubte, el principal procés d’eliminació dels contaminants químics de qualsevol emplaçament contaminat és la degradació microbiana. Es pot dir que si no fos pels microorganismes, especialment els bacteris, els nostres mars estarien plens d’hidrocarburs. A tall d’exemple, els mars catalans reben 20.000 tones d’hidrocarburs l’any, procedents de petits accidents o d’operacions rutinàries dels vaixells. Tenint en compte aquesta capacitat innata que presenten els microorganismes per destruir els contaminants del nostre medi, aprofundir en el coneixement del procés per poder-lo controlar, accelerar i millorar constitueix l’objectiu de molts biotecnòlegs ambientals des de les últimes dècades del segle xx. La informació generada juntament amb la d’altres disciplines com ara la hidrogeologia o l’enginyeria ha configurat una nova tecnologia anomenada bioremediació. Bioremediació La bioremediació es basa en l’aprofitament de les capacitats metabòliques increïblement variades dels microorganismes per intentar potenciar el procés natural de degradació d’hidrocarburs i així reduir la contaminació de sòls, sediments, platges i aigües subterrànies així com la de les aigües residuals industrials molt recalcitrants. Hi ha tecnologies alternatives a la bioremediació, però com en el cas de les marees negres, la bioremediació suposa la veritable eliminació dels contaminants perquè els converteix en diòxid de carboni i aigua. En canvi, l’excavació i la gestió posterior aen l’abocador o l’extracció del contaminant comporten el trasllat del problema i no la seva eliminació.

Què fa la biotecnologia per a mi?

i l’administració catalana ha permès aplicar aquests assajos en diferents emplaçaments de Catalunya i de la resta de l’Estat espanyol.

Figura 1: Microcosmos per portar a terme els assajos de factibilitat.

Actualment, el tipus de contaminació en què s’han assolit els millors resultats aplicant la bioremediació són els sòls o les aigües subterrànies contaminats per hidrocarburs, que, per altra banda, constitueixen la tipologia de contaminació majoritària. En aquest sentit, el grup de recerca de la Universitat de Barcelona dirigit per la Dra. Anna Maria Solanas, integrat en la XRB, ha treballat en la biodegradació d’hidrocarburs des de fa més de 25 anys i actualment està treballant en diferents aspectes de la bioremediació de sòls contaminats per hidrocarburs. Cada sòl presenta unes característiques determinades que condueixen a unes interaccions singulars entre les poblacions microbianes, el tipus de contaminants i les condicions mediambientals. En aquest sentit, el nostre grup ha desenvolupat un protocol d’assajos de laboratori, que es porten a terme en dues fases i que anomenem assajos de factibilitat, que permet respondre la pregunta de si és factible o no portar a terme una bioremediació en un emplaçament concret. Si la resposta és afirmativa, una segona fase d’experiments ens permetrà trobar les millors condicions per dur a terme la bioremediació. La col·laboració amb diferents empreses

Ara bé, malgrat els bons resultats assolits, la bioremediació encara presenta algunes limitacions, com ara el temps necessari per assolir els objectius de descontaminació (6-12 mesos) i el baix rendiment en la biodegradació de determinats hidrocarburs d’elevat pes molecular. En aquest sentit, l’aplicació de tècniques que recentment ens ha proporcionat la biotecnologia molecular ens ha permès millorar el coneixement de les poblacions microbianes implicades. Així, mentre una de les estratègies universals és afegir nutrients a l’inici del procés en forma de nitrogen i fòsfor, els estudis que hem portat a terme amb sòls contaminats amb hidrocarburs aromàtics policíclics (HAP) han posat de manifest que les poblacions microbianes especialitzades en la degradació dels HAP d’alt pes molecular són poblacions de creixement lent i l’addició de nutrients afavoreix el creixement d’altres poblacions en detriment d’aquestes més especialitzades. Aquests resultats són de gran interès a causa de l’elevada toxicitat dels HAP d’alt pes molecular. Un altre aspecte interessant és la biodisponibilitat dels hidrocarburs vers els microorganismes. Aquests compostos tan hidrofòbics es poden adsorbir amb partícules d’argila, poden trobar-se en microporus inaccessibles pels microorganismes o bé formant part de l’humus. La determinació de les proporcions biodisponibles per a cada hidrocarbur ens ha permès establir una correlació entre la biodisponibilitat i la biodegradabilitat, fet que ens permet predir l’abast de la bioremediació. En aquest sentit, per millorar aquesta biodisponibilitat hem utilitzat tensioactius químics en l’accident del Prestige amb molt bons resultats i en l’actualitat estem avaluant l’addició de biotensioactius en el procés de bioremediació.

Figura 2: Bioremediació d’un sòl contaminat per HAP per la modalitat de biopila dinàmica (A) i bioremediació d’una platja afectada per l’accident del Prestige (B).

Què fa la biotecnologia per a mi?

Importància de la prevenció en la contaminació ambiental De manera paral·lela a la bioremediació, s’estan desenvolupant diverses alternatives als processos i materials emprats actualment per intentar substituir-los per altres que siguin menys tòxics i més biodegradables. Entre els principals exemples que s’estan desenvolupant en aquest sentit cal destacar-ne els següents: 1. Biocombustibles: en el camp del transport, una de les alternatives als hidrocarburs utilitzats actualment és la utilització de biocombustibles. La producció de la major part d’aquests biocombustibles prové de la fermentació microbiana que transforma els sucres de diferents plantes, com ara el gira-sol o la canya de sucre, en etanol. 2. Toxina Bt: en el camp de l’agricultura, els microorganismes comencen a ser una alternativa seriosa als plaguicides de síntesi química, caracteritzats molts d’ells per la seva elevada toxicitat i per la persistència en el medi. Actualment ja s’estan utilitzant productes sintetitzats per microorganismes, com ara el bacteri Bacillus thuringensis, que produeixen toxines amb activitat insecticida i són innòcues per als humans. 3. Bioplàstics: l’elevada utilització dels plàstics a la vida quotidiana ha comportat l’interès a trobar productes alternatius biodegradables i que no derivin del petroli. Un d’aquests productes són els polihidroxialcanoats, material de reserva de certs bacteris que presenten propietats similars a les dels plàstics i que anomenem bioplàstics.

Figura 3: Producció d’un biotensioactiu per una soca bacteriana de Pseudomonas que afavoreix la biodisponibilitat dels hidrocarburs per als bacteris presents al medi.

4. Biotensioactius o biodetergents: els biotensioactius o biodetergents, com ara els ramnolípids, produïts pel bacteri Pseudomonas aeruginosa, o els trehalosalípids, produïts per Rhodococcus eritropolis, que podrien substituir els detergents de síntesi química. Cal destacar que els nonilfenoletoxilats, una de les famílies de detergents més utilitzades actualment, presenten una activitat disruptora endocrina responsable del canvi de sexe dels peixos i una de les causes de la disminució de la qualitat del semen humà. En aquest cas, val a dir que aquests productes presenten una problemàtica addicional, ja que quan passen a través de les depuradores biològiques, es degraden només parcialment i generen com a subproductes els nonilfenols, que encara tenen una activitat disruptora més gran. 5. Substitució del clor en el blanqueig de paper: actualment, s’està intentant substituir el clor per productes menys nocius en el procés de blanqueig de paper. Un exemple és la utilització d’enzims bacterians o fúngics, com les xilanases, lacases o peroxidases en substitució del clor altament contaminant i precursor d’altres clorats molt tòxics.

QUÈ FA LA BIOTECNOLOGIA PER A MI? UTILITZA LES PLANTES

PER A MILLORAR LA MEVA

QUALITAT DE VIDA!

Què fa la biotecnologia per a mi?

UTILITZA LES PLANTES PER A MILLORAR LA MEVA

QUALITAT DE VIDA!

QUÈ ENS DIU

EL CIENTÍFIC?

Carlos M. Vicient Centre de Recerca en Agrigenòmica (CRAG), CSIC-IRTA-UAB Sabieu que...? ...Espanya és el quart país a Europa quant a la producció de cultius pilot de plantes transgèniques? Nombroses espècies vegetals com ara la remolatxa, la patata, el blat de moro o el cotó s’han modificat genèticament en centres de recerca per fer-les resistents a herbicides i a insecticides. Sabieu que...? ...a Europa es comercialitzen soja i blat transgènics per al consum humà.

Una planta modificada genèticament és una planta a la qual s’ha modificat un gen que ja tenia o bé s’hi han afegit gens nous provinents d’una altra espècie. Únicament en aquest últim cas parlarem de plantes transgèniques. Una de les aplicacions bàsiques de les plantes transgèniques té a veure amb la investigació i, actualment, les plantes transgèniques són una eina imprescindible en els laboratoris de biologia vegetal. La capacitat per inhibir gens o fer que una planta produeixi proteïnes modificades o en quantitats superiors a les normals permet als investigadors descobrir quines poden ser les seves funcions. Cal destacar que a part de ser utilitzades com a eina per a la investigació (1),

Sabieu que...? ...un tipus d’arròs modificat genèticament podria salvar milions de persones del sud-est asiàtic. L’arròs daurat (golden rice) és un tipus d’arròs modificat genèticament per produir vitamina A i així evitar la ceguera, problemes intestinals o respiratoris, i malalties provocades pel dèficit d’aquesta vitamina.

el nombre de possibles aplicacions pràctiques de la modificació genètica de plantes és enorme; per exemple, aquesta biotecnologia obre les portes a l’obtenció de plantes resistents a plagues (2) o resistents a condicions ambientals adverses (3), possibilita el transport de fruits sense que perdin el gust i l’aroma (4), i millora la producció de biocombustibles (5), entre moltes altres aplicacions.

APLICACIONS

EN VOLS SABER MÉS?

A part de les aplicacions esmentades anteriorment, les plantes transgèniques també tenen moltes altres aplicacions, entre les quals cal destacar la modificació de plantes ornamentals (colors de les flors), creació de plantes amb propietats nutritives millorades, producció de medicaments, detecció de mines antipersones I descontaminació de sòls.

Si vols ampliar els teus coneixements sobre aquest tema pots consultar l’article del doctor Carlos M. Vicient, «Per a què serveixen les plantes modificades genèticament?» o visitar la pàgina web de la XRB. Altres fonts d’informació força interessants són la pàgina web de l’Institut de Recerca i Tecnologia Agroalimentàries (www.irta.es) i la pàgina web del Ministeri de Medi Ambient i Medi Rural i Marí (www.mapa.es ).

Què fa la biotecnologia per a mi?

PER A QUÈ SERVEIXEN LES PLANTES MODIFICADES GENÈTICAMENT? Carlos M. Vicient Centre de Recerca en Agrigenòmica (CRAG), CSIC-IRTA-UAB

Introducció Una planta modificada genèticament és una planta a la qual hem modificat deliberadament un gen que ja tenia o bé hi hem afegit gens nous provinents d’una altra espècie. Únicament en aquest últim cas parlarem de plantes transgèniques. Una de les aplicacions bàsiques de les plantes transgèniques té a veure amb la investigació. Les plantes transgèniques són una eina imprescindible en els laboratoris de biologia vegetal. La capacitat per inhibir gens o fer que la planta produeixi proteïnes modificades o en quantitats superiors a les normals ens permet als investigadors descobrir quines poden ser les seves funcions. D’altra banda, el nombre de possibles aplicacions pràctiques de la modificació genètica de plantes és enorme, per la qual cosa aquí solament se’n citaran algunes. Resistències a plagues Les diferents plagues que afecten els cultius constitueixen un dels principals problemes de l’agricultura. De manera natural hi ha varietats més i menys resistents a algunes plagues. La combinació de millora genètica i tractaments amb agroquímics ha aconseguit, amb major o menor èxit, mantenir a ratlla la majoria d’aquestes plagues, però a vegades amb alts costos mediambientals. L’aplicació de la tecnologia de les plantes transgèniques pot permetre una millor defensa de les plantes enfront de patògens de difícil control. De fet, una bona part de les plantes transgèniques comercials tenen la propietat de ser resistents a l’atac de certs insectes que els tractaments convencionals no poden controlar satisfactòriament. Diversos assajos de laboratori indiquen que aquesta tecnologia també podria ser aplicada per incrementar la resistència a altres tipus de plagues com ara fongs, bacteris i virus. Resistències a insectes Els bacteris Bacillus turingiensis i Bacilus tenebrionis tenen gens que codifiquen la proteïna Bt. Aquesta proteïna és un insecticida natural que té propietats tòxiques únicament per a determinats grups d’insectes, però són innòcues per als humans i per a altres animals. L’agricultura tradicional ha utilitzat des de fa uns quaranta anys

pesticides basats en la proteïna Bt sense resultats indesitjables i són recomanats oficialment en l’agricultura «biològica». La diferència en el cas de les plantes transgèniques és que, en lloc d’afegir Bt mitjançant tractaments externs, és la planta que el sintetitza. Aquesta diferència és fonamental en el tractament d’algunes plagues, com és el cas del barrinador del blat de moro que produeix grans pèrdues econòmiques. Aquest insecte posa els ous sobre les fulles i les erugues penetren a les plantes poques hores després de sortir de l’ou. Per dintre de la planta es dirigeixen a la tija i pugen fins a la panotxa, on emergeixen de nou com a adultes. De camí, van menjant-se gran part dels teixits de la tija i la panotxa. Els tractaments externs no afecten els ous ni l’eruga, protegida dins de la planta. L’única manera d’eliminar la plaga és aplicant l’insecticida en el poc temps que transcorre entre l’eclosió dels ous i la introducció de l’eruga dins la planta. Com que aquest temps és tan reduït, els agricultors es veuen obligats a fer tractaments molt freqüents per poder controlar, només en part, la plaga, amb la consegüent despesa d’energia, temps, feina i les conseqüències mediambientals que se’n deriven. Com que les plantes transgèniques Bt acumulen la toxina en el mateix teixit vegetal, quan el cuc s’obre camí alimentant-se de la planta, mor intoxicat. D’aquesta manera, s’estalvien els tractaments, es redueixen despeses, es redueixen riscos ambientals i es millora la qualitat del producte final. S’ha debatut sobre la possibilitat que l’ús de plantes transgèniques pogués afectar les poblacions d’insectes no nocius per al cultiu o fins i tot beneficiosos per a l’agricultura per la seva tasca pol·linitzadora. L’exemple paradigmàtic del suposat efecte nociu de les plantes transgèniques ha estat el cas de les papallones monarca, basat en un article publicat en la revista Nature per J. Losey, de la Universitat de Cornell, en què s’afirmava que la ingesta de pol·len de blat de moro transgènic amb el gen Bt produïa la mort de les larves d’aquesta papallona. Les larves de papallona monarca s’alimenten gairebé exclusivament de l’herba Asclepias syriaca que creix en els camps on es conrea el blat de moro i en

Què fa la biotecnologia per a mi?

marges i cunetes. És perfectament possible que aquestes plantes rebin a la seva superfície pol·len de les plantes de blat de moro que creixen en el seu entorn i que contenen insecticida Bt. En el treball esmentat s’alimentava les larves amb fulles empolsades amb pol·len de blat de moro transgènic i fulles no empolsades, i s’observava una major mortalitat en les larves alimentades amb les primeres fulles. La metodologia d’aquests experiments ha estat molt qüestionada, principalment amb crítiques a les dosis de pol·len utilitzades, que no tenien res a veure amb les quantitats que una larva ingeriria en circumstàncies naturals. Atès que el pol·len havia estat modificat per resistir insectes lepidòpters, no resulta sorprenent que les larves tractades d’aquesta manera morissin. En qualsevol cas, l’alternativa tecnològica convencional de fumigar des de l’aire amb insecticides químics segur que afecta tant o més les papallones. Estudis posteriors de M. Sears del 2001 demostren que en les condicions reals de l’agrosistema, el fet de viure al costat del blat de moro transgènic no afecta significativament aquestes papallones. Sigui com sigui, la planta de la qual s’alimenten aquestes papallones és considerada una mala herba pels agricultors i, per tant, eliminada dels seus camps. Per tant, seguint els mateixos criteris, aquesta pràctica sí que hauria de ser considerada com a nociva per a les poblacions de papallones. D’altra banda, és molt corrent que la planta Asclepias syriaca creixi als vorals de les carreteres i és probable que moltes de les noves papallones morin aixafades per cotxes i camions, risc que no ha estat avaluat. Finalment, únicament el 10 % de les papallones monarca viuen en les proximitats de camps de blat de moro. Per tant, suposant que aquest blat de moro les matés totes, això solament suposaria una disminució mínima de les poblacions en comparació de moltes altres espècies realment en perill d’extinció. S’està experimentant amb altres tipus de plantes transgèniques resistents a insectes. Per exemple, plantes a les quals s’introdueixen gens que codifiquen proteïnes inhibidores de proteïnes bàsiques pel metabolisme d’alguns insectes com els inhibidors de proteases. Aquestes plantes estan sent assajades als laboratoris d’investigació. Resistències a virus Un dels mètodes que s’està assajant per conferir a les plantes resistència als virus consisteix en quelcom sem-

blant a «immunitzar-les». Tot i que les plantes no tenen un sistema immunitari i, per tant, no són capaces de produir anticossos, sí que tenen mecanismes de defensa capaços d’activar-se en resposta a la infecció. Malauradament, en algunes ocasions aquesta resposta no és prou ràpida i quan la planta està en condicions de defensar-se el virus ja l’ha infectada sense remei. S’ha observat que plantes infectades amb virus parcialment inactius es tornen resistents a la infecció amb virus semblants i també s’ha pogut observar un efecte similar en plantes transgèniques a les quals s’ha introduït un gen de la coberta protectora del virus. D’aquesta manera, s’han aconseguit plantes resistents al virus. La presència d’aquesta proteïna activa de manera permanent els sistemes defensius de la planta i li proporcionen més «immunitat»; per això poden respondre molt més ràpidament a les infeccions i eliminar els virus abans que s’estenguin. És important aclarir que els virus vegetals no poden infectar animals ni bacteris i que, donada la seva presència ubiqua, són ingerits normalment amb els aliments. Per tant, que una planta transgènica acumuli proteïnes del virus vegetal no ofereix riscos a la salut animal o humana. Una altra qüestió és que el fet de mantenir la planta permanentment en estat de «defensa» en pugui disminuir la productivitat i, consegüentment, el rendiment. Aquest punt cal que sigui avaluat abans de la seva introducció. Una altra estratègia utilitzada per resistir virus és l’anomenada resistència per homologia d’ARN. En aquest cas no es requereix la producció de cap proteïna nova a la planta sinó només la transcripció d’una seqüència d’ARN idèntica a la del virus. La producció d’aquest ARN desencadena el fenomen anomenat silenciament gènic, un mecanisme natural present a les plantes i en altres organismes que presumiblement serveix per impedir les invasions de virus. Quan aquest mecanisme de defensa s’activa, tant l’ARN del gen transgènic com tot altre ARN homòleg, en aquest cas el del virus, són degradats. Aquesta estratègia de protecció reprodueix així en forma més primerenca i efectiva un procés que normalment ocorre quan una planta és infectada per un virus. Resistències a fongs Es pot plantar cara als atacs dels fongs introduint a les plantes gens vegetals que codifiquen enzims que digereixen els principals components de la superfície cel·

Què fa la biotecnologia per a mi?

lular dels fongs. Les cèl·lules dels fongs, com les de les plantes, estan recobertes d’una coberta o paret cel·lular, però la composició de les parets cel·lulars de fongs i de plantes és completament diferent. Mentre el component principal en les plantes és la cel·lulosa, en els fongs és la quitina. Una de les respostes naturals de les plantes per defensar-se dels fongs és secretar enzims capaços de digerir la paret dels fongs, com per exemple la quitinasa. La introducció d’aquest gen en una planta sota el control d’un promotor constitutiu (que activa el gen permanentment i en tots els teixits) conferiria a la planta una protecció permanent enfront d’aquestes plagues. Tolerància a herbicides Les males herbes constitueixen un dels grans problemes de l’agricultura ja que augmenten el consum d’aigua, dificulten les labors de cultiu i la collita, i contaminen els productes finals. Els tractaments herbicides es basen en l’ús de substàncies químiques capaces d’intoxicar certs grups de plantes de manera específica, ja que volem que elimini la mala herba però no el nostre conreu. Això permet eliminar certes males herbes però no el conreu, sempre que la mala herba i el conreu no siguin plantes del mateix tipus, i aquest és el gran problema dels herbicides. Per exemple, un camp d’arròs contaminat d’algues serà fàcilment tractable, però contaminat d’un altra gramínia no. L’estratègia de modificació genètica en aquest cas consisteix a introduir a la planta un gen que confereixi al cultiu la tolerància a un herbicida. D’aquesta manera, després del tractament amb l’herbicida la planta conreada sobreviu però les males herbes no. Aquesta estratègia permet utilitzar herbicides d’ampli espectre (que maten qualsevol tipus de mala herba) de manera que una sola aplicació és suficient per resoldre el problema, en lloc d’aplicar diversos herbicides segons els diferents tipus de males herbes presents en el cultiu, o bé una aplicació molt agressiva abans de la sembra. Algunes de les plantes transgèniques que s’utilitzen actualment tenen gens que els confereixen tolerància a herbicides com el glifosat, o el glufosinat, dos herbicides postemergents d’ampli espectre i de baixa persistència en el sòl. L’aplicació d’aquesta tecnologia redueix els costos econòmics i mediambientals ja que, tot i que no elimina la necessitat dels tractaments amb herbicides,

sí que en redueix la freqüència i les quantitats totals aplicades, i per exemple les despeses en combustibles derivats de la seva aplicació. D’altra banda, com que les varietats transgèniques resistents a herbicides toleren la seva aplicació després de la germinació de la llavor, això permet aplicar els tractaments en el moment en què es necessitin i no de manera indiscriminada, cosa que fa disminuir les quantitats totals aplicades. Resistència a condicions ambientals adverses Les plantes com a éssers immòbils han de poder plantar cara, per sobreviure, a nombroses condicions ambientals adverses. L’agricultor intenta reduir al màxim les condicions adverses a les quals està sotmès el seu conreu però no sempre és possible i això produeix pèrdues de collita. Assajos de laboratori han demostrat que es poden introduir gens en algunes espècies de manera que s’incrementi la seva resistència a factors externs adversos com el fred, la sequera, la salinitat, o els sòls àcids o amb alt contingut de metalls, etc. Una gran extensió de la superfície terrestre del planeta es considera marginal perquè és excessivament salina. La sal redueix el rendiment dels cultius i poden arribar a impedir l’ús de la terra. Investigadors de la Universitat de Califòrnia han creat tomàquets transgènics capaços de créixer en sòls salins a causa de la seva capacitat d’eliminar l’excés de sal acumulant-lo en parts de la planta en les quals no és tòxic. Un altre exemple consistiria a millorar les respostes de les plantes a la manca de llum. Quan les plantes creixen molt juntes la llum que arriba a les fulles ho fa reflectida o través d’altres fulles, canviant la seva longitud d’ona. Les plantes tenen receptors de llum que poden distingir entre la llum directa del sol i la reflectida per altres plantes. Si la proporció de llum reflectida és molt alta vol dir que la planta està a l’ombra i es desencadena una resposta de creixement. La tija comença a créixer per intentar arribar a la llum però ho fa a costa de parts més profitoses per a l’agricultor, com les fulles o els fruits. L’increment d’alçada de la planta, a més de reduir el rendiment també incrementa el risc que les plantes puguin ser tombades per vents forts i es dificulti o impedeixi la collita. S’ha suprimit aquesta resposta de creixement en el tabac inhibint el gen del receptor de llum. Aquestes plantes no creixen més encara que es conreïn

Què fa la biotecnologia per a mi?

a altes densitats i el tabac segueix acumulant la mateixa biomassa de fulles. Millora de la qualitat La introducció o modificació de gens podria millorar la qualitat de nombrosos productes agrícoles.

Elitè

Figura 1: Diferents tractaments de collita i postcollita en el cas de tomàquets d’agricultura ecològica, de conreu tradicional o transgènics amb el gen de la poligalacturonasa inhibit.

Tomàquets resistents al transport Un dels problemes de l’agricultura globalitzada és la necessitat de transportar fruits peribles a llargues distàncies. Durant la maduració dels fruits es produeix un increment dels continguts en sucres i altres substàncies que els donen el gust i l’olor característics. Durant la maduració també es produeix un estovament dels fruits que els fan, d’una banda, més sensibles als danys físics, però també, de l’altra, més susceptibles a les plagues. Ambdós fenòmens poden dificultar o fins i tot impedir la comercialització dels productes. La manera tradicional d’evitar aquest problema consisteix a collir els fruits molt abans de la seva maduresa fisiològica. D’aquesta manera es poden transportar sense tants problemes i emmagatzemar en càmeres frigorífiques. Abans de par-

tir cap al mercat els fruits són sotmesos a un tractament amb el gas etilè. L’etilè és una hormona vegetal que, produïda per la planta, indueix la maduració dels fruits. Els tractaments artificials amb aquesta hormona sobre fruits recollits poden induir part dels processos que tenen lloc durant la maduració, com ara l’adquisició de color, però no tots, i el resultat final són fruits d’aspecte madur, però de sabor que poc té a veure amb la veritable maduresa. El gen de la poligalacturonasa s’activa durant la maduració dels fruits en resposta a l’etilè i és el responsable del seu estovament. La inhibició d’aquest gen fa que el fruit no s’estovi tan ràpidament en madurar. Les plantes transgèniques on s’ha inhibit aquest gen produeixen fruits que maduren correctament però que són més consistents. Aquests fruits es poden recollir en maduresa fisiològica i, per tant, tenen temps d’adquirir un gust i aromes com els de la planta original, però sense els problemes del transport (vegeu la figura 1). El primer cultiu modificat genèticament a arribar als mercats l’any 1994 fou precisament el tomàquet transgènic Flavr Savr de Calgene amb el gen de la poligalacturonasa inhibit. Noves propietats nutritives La millora de la qualitat nutritiva dels productes agrícoles ha estat un dels objectius de la millora genètica vegetal. Per exemple, alguns cultius manquen de certs tipus d’aminoàcids o de certes vitamines, o tenen una composició d’olis poc adequada per a la nostra salut. La tecnologia de plantes transgèniques ofereix nombroses possibilitats en aquest aspecte. Algunes plantes són deficients en certs aminoàcids essencials. Si les dietes són variades això no és un problema, però en zones de dieta pobra o bé en aliments destinats a l’alimentació del bestiar, aquestes deficiències poden resultar greus. Per exemple, el blat de moro és pobre en l’aminoàcid lisina o el trèvol, emprat per alimentar els ramats, és pobre en aminoàcids sofrats. La modificació de la composició de les proteïnes majoritàries o bé la síntesi de noves proteïnes riques en els aminoàcids deficients podrien remeiar aquestes mancances. Les prolamines són proteïnes abundants en les llavors d’alguns cereals i constitueixen el gluten. En ser ingerides per algunes persones provoquen la malaltia celíaca. El tractament actual consisteix a eliminar el gluten de la

Què fa la biotecnologia per a mi?

dieta. La modificació dels gens de les prolamines podria fer que poguessin ser digerides sense problemes pels malalts. La mandioca és una font bàsica d’aliment en moltes parts del món, però conté glucòsids cianogènics que provoquen malaltia degenerativa si no és processada correctament abans de consumir-la. La inhibició dels gens que intervenen en la síntesi dels glucòsids cianogènics en pot disminuir els problemes derivats. La soja és un dels aliments que pot produir al·lèrgia en certes persones. La meitat dels casos es deuen a una proteïna denominada P34. S’ha demostrat que inhibint el gen que codifica aquesta proteïna s’elimina el problema d’al·lèrgia. Els mètodes actuals per preparar cafè descafeïnat impliquen l’ús de solvents orgànics per extreure la cafeïna, la qual cosa genera preocupació per la possible presència de residus en el cafè o per l’alteració del sabor final de la beguda. S’han identificat els gens implicats en la síntesi de la cafeïna i s’està assajant si la seva inhibició produeix cafè sense cafeïna i sense alterar les seves característiques d’aroma i sabor. El licopè és un antioxidant que neutralitza els radicals lliures que es produeixen en l’organisme i que provoquen envelliment cel·lular, malalties cardiovasculars i certs tipus de càncer. Es pot augmentar el nivell d’aquest compost als aliments agregant els gens corresponents als enzims que intervenen en la seva síntesi, com ja s’ha fet en el tomàquet. Es pot millorar la qualitat dels olis vegetals modificant-ne la composició en àcids grassos i fent-la més saludable en augmentar la proporció d’àcids grassos insaturats. Això s’ha aconseguit a la colza introduint gens procedents d’animals que codifiquen proteïnes que redueixen la saturació dels àcids grassos. L’arròs és un aliment pobre en vitamina A de manera que en poblacions l’alimentació de les quals es basa gairebé exclusivament en aquest cereal, com en el sud-est asiàtic, es donen freqüentment problemes de salut com ceguesa i problemes intestinals i respiratoris. L’arròs no produeix vitamina A perquè li manquen tres gens ne-

cessaris per a la seva biosíntesi. S’han agregat a l’arròs aquests tres gens procedents del narcís i d’un bacteri, de manera que aquest arròs modificat és capaç d’acumular vitamina A a les llavors. El consum de 200 grams diaris d’aquest arròs transgènic eliminaria la pràctica totalitat dels problemes derivats de la manca de vitamina A. Les llavors d’aquest arròs tenen color groc a causa de l’acumulació de vitamina A i és per això que se’l va denominar arròs daurat. Noves plantes ornamentals Les possibilitats en aquest camp són molt grans tot i que encara que no s’han aplicat comercialment: inhibició del marciment prematur de les flors tallades, creació de noves formes o colors de flors o plantes, o modificacions o increments en les aromes. La inhibició o sobreactivació dels gens implicats en la biosíntesi de pigments florals en el clavell ha donat lloc a varietats d’aquestes flors amb nous colors. De la mateixa manera, la sobreactivació de gens implicats en la síntesi de substàncies aromàtiques com els terpens ha produït flors amb més aroma. Síntesi de productes d’interès mèdic i industrial És possible alterar rutes metabòliques per fer que les plantes, o les seves cèl·lules, puguin funcionar com a bioreactors (reactors biològics) de manera que fabriquin substàncies valuoses per a la indústria farmacèutica o química. L’atractiu d’aquesta possibilitat és enorme ja que podem disposar de camps de tabac, tornassol, tomàquet, colza, etc. que produeixin enormes quantitats de substàncies difícils o cares d’obtenir per mitjans químics. A més, a diferència de les fermentacions industrials, no fan falta grans inversions inicials, ni treballadors especialitzats, ni hi ha tants riscos per contaminacions dels productes. Producció de medicaments Les plantes són una font de substàncies químiques amb fins medicinals. Moltes d’aquestes plantes tenen distribucions geogràfiques molt limitades o no s’han adaptat a cultius intensius, per la qual cosa només es poden explotar les poblacions naturals, amb el consegüent risc per a la supervivència de l’espècie. En altres casos els costos d’extracció són tan elevats que la disponibilitat en limita l’ús generalitzat. De vegades, la síntesi química

Què fa la biotecnologia per a mi?

és l’alternativa, però no sempre és possible o econòmicament rendible. Els avenços de l’enginyeria genètica poden permetre produir aquests compostos bé en plantes que es puguin conrear sense problemes, o bé pot millorar l’eficàcia de l’extracció. Alguns exemples de substàncies d’interès mèdic són la berberina, la digoxina, la nicotina o el taxol. A més de productes presents en espècies de plantes, l’enginyeria genètica també pot fer que es puguin produir altres substàncies no presents en la natura o bé presents en animals. Un exemple són els medicaments de naturalesa proteica i origen animal com ara la insulina, l’encefalina, la seroalbúmina o l’interferó. El taxol, per exemple, és una substància que s’empra en el tractament d’alguns tipus de càncer. El producte va ser descobert en l’escorça del teix (Taxus brevifolia), un arbre d’àmplia distribució pel món i molt apreciat per la qualitat de la seva fusta. Els boscos de teix han estat sobreexplotats i avui dia és una espècie que cal protegir. Malgrat que el taxol és un potent anticancerigen, la quantitat que s’acumula en l’arbre és tan petita que per tractar una sola persona es necessiten talar dos o tres arbres adults. Afortunadament, els científics han pogut sintetitzar la substància al laboratori, però és un procés car. La possibilitat de produir taxol en plantes de tabac, per exemple, reduiria enormement els costos de producció i, de retruc, la pressió sobre les poblacions naturals d’aquest bonic arbre. Producció d’anticossos i vacunes Els anticossos són proteïnes i, per tant, poden ser produïts a partir d’un gen introduït en una planta. Des de fa més de deu anys s’ha demostrat que les plantes són sistemes versàtils per a la producció d’anticossos. Els anticossos produïts en plantes són suficientment estables per permetre’n el processament sense pèrdues de funcionalitat. Fins al moment la majoria d’assajos s’han dut a terme en tabac, on s’acumulen en les fulles. El tabac té l’avantatge que produeix una gran quantitat de fulles (diverses collites a l’any) i que és un cultiu per al qual s’han de buscar alternatives d’ús. Hi ha molts exemples d’anticossos que s’han produït en plantes en assajos de Laboratori, entre els quals hi ha un anticòs contra Streptococcus mutans, l’agent causal de la càries, produït en fulles de tabac, o un anticòs contra el virus de l’herpes, produït en soja. De moment, poques d’aquestes plantes han estat aprovades per al seu assaig en humans.

D’altra banda, la producció de vacunes en plantes també és una opció molt atractiva. La idea és simple: produir antígens de naturalesa proteica en parts comestibles d’una planta i administrar-los per via oral. Els grans avantatges d’aquesta tecnologia serien el seu cost reduït, molt menor que l’actual, i la possibilitat de fer arribar les vacunes a qualsevol racó del planeta a baix cost. S’ha demostrat en alguns casos que antígens produïts en plantes poden induir respostes immunitàries quan són injectats en animals, però el principal problema d’aquesta tecnologia és que les vacunes administrades per via oral han de passar per l’estómac abans de ser absorbides pel cos en l’intestí. No obstant això, hi ha mètodes, com ara la bioencapsulació, l’ús de liposomes o l’ús de certs vegetals transgènics, que semblen protegir l’anticòs. Ja s’han fet assajos en animals en els quals l’administració de vacunes vegetals per via oral ha induït una resposta immunitària; en trobem un exemple en les plantes de tomàquet amb vacuna antiràbica per a animals. Producció de biocombustibles Un biocombustible és qualsevol tipus de combustible que es deriva de biomassa, és a dir, d’organismes recentment vius o de les seves deixalles. Aquesta biomassa pot ser animal o vegetal. El bioetanol s’obté, entre d’altres, a partir de blat de moro, canya de sucre o remolatxa, per un procés de fermentació i destil·lació no gaire diferent a l’utilitzat per produir begudes alcohòliques d’alta graduació. El biodièsel es fabrica a partir d’olis vegetals de plantes com ara la soja o la colza. S’està investigant formes de modificar algunes de les plantes anteriors per tal que se’n pugui augmentar la producció, facilitar l’extracció o bé produir combustibles de millor qualitat; per exemple, el fet d’augmentar el contingut de sucres o d’olis, o de reduir la síntesi de lignina, facilitaria l’obtenció d’aquests productes en rendiments elevats. Síntesi de productes d’interès industrial De la mateixa manera que es pot modificar una planta per produir medicaments, també es podria modificar perquè produís productes de valor industrial. La manipulació dels olis vegetals podria permetre d’adaptar-los a un ús industrial. La substitució d’olis minerals per olis vegetals biodegradables i amb les mateixes propietats que els anteriors és una possibilitat que té un interès

Què fa la biotecnologia per a mi?

mediambiental evident. Una altra possibilitat de gran interès és la producció de plàstics biodegradables. Per exemple, s’han introduït gens del bacteri Alcaligenes eutrophus en plantes. Aquest bacteri produeix un polímer de polihidroxibutirat que serveix de matèria primera per a la fabricació de plàstic biodegradable. En introduir en la planta els gens bacterians que dirigeixen la síntesi d’aquest polímer, el vegetal comença a ser capaç també de sintetitzar el polímer. Descontaminació Hi ha espècies de plantes que són capaces d’extreure molècules contaminants del sòl i convertir-les en substàncies menys tòxiques. El cultiu d’aquestes plantes en sòls contaminats permetria la reducció de la presència d’aquests contaminants al terra sense necessitat de tractaments químics complicats i costosos. El problema és que aquestes espècies, com que no han estat seleccionades per al seu ús agrícola solen tenir creixements molt lents o bé no són capaces d’adaptar-se a viure en ambients diferents als del seu origen. S’estan estudiant quins mecanismes són els que confereixen a aquestes plantes la capacitat d’extreure els contaminants i transformar-los, i quins són els gens implicats. Una vegada identificats, podrien introduir-se en plantes de cultiu habitual, com per exemple el tabac, i emprar-les com a descontaminants naturals. Vegem-ne alguns exemples. El mercuri inorgànic en sòls i sediments contaminats és relativament innocu però els processos biològics i químics poden transformar-lo en metilmercuri més tòxic i assimilable pels éssers vius. El metilmercuri provoca neurotoxicitat en vertebrats i és traspassat de la presa al depredador a través dels teixits que han estat contaminats. Les estratègies tradicionals per a la descontaminació d’aquests sòls són costoses, de manera que com a alternativa es proposa l’ús de plantes transgèniques en les quals s’ha introduït un gen bacterià que codifica una proteïna capaç de convertir el Hg(II) en Hg(0), molt menys tòxic. El tricloroetilè (TCE) és un compost que s’utilitza en pintures, gomes i netejadors de catifes que causa càncer, danys en els sistemes nerviós central i reproductor. Per eliminar-lo del sòl s’han creat àlbers transgènics als quals s’ha introduït el gen humà citocrom P450 que sintetitza una proteïna capaç de processar el TCE en altres

compostos no tòxics. Aquestes plantes també són capaces d’eliminar altres compostos tòxics com per exemple el dibrom etilè, el benzè, l’estirè o el cloroform.

QUÈ FA LA BIOTECNOLOGIA PER A MI? COM FEM PLANTES TRANSGÈNIQUES? ... AMB BACTERIS I BALES D’OR!

Què fa la biotecnologia per a mi?

COM FEM PLANTES TRANSGÈNIQUES? ... AMB BACTERIS I BALES D’OR! Per crear plantes transgèniques cal introduir un fragment d’ADN en el genoma d’una espècie vegetal. S’han desenvolupat diferents tècniques que permeten fer aquest procés, però només dues s’utilitzen habitualment en plantes: la infecció mitjançant el bacteri Agrobacterium tumefaciens (1) i la biolística (2). Podem considerar aquest bacteri com un enginyer genètic de la natura. Agrobacterium tumefaciens viu normalment al sòl però en determinades ocasions és capaç d’infectar de manera natural les arrels dels vegetals, introduint-se a través de ferides. Un cop dins la planta, injecten un tros d’ADN a les cèl·lules vegetals que s’insereix a l’atzar en el genoma vegetal. Modificant l’ADN d’Agrobacterium tumefaciens podem inserir qualsevol tipus de gen a les plantes; per exemple, gens que les fan resistents a

insectes, a herbicides, etc. La segona tècnica emprada per modificar genèticament els vegetals és la biolística. Aquesta tècnica es basa en l’ús dels anomenats canons gènics, uns instruments que permeten impulsar microesferes de tungstè o d’or a prou velocitat perquè penetrin el teixit vegetal. Aquestes esferes es recobreixen amb l’ADN que interessa incorporar. Per atzar, algunes dels milions de micropartícules disparades penetren al nucli cel·lular i algunes dels milions de molècules d’ADN dipositades sobre la partícula s’introdueixen aleatòriament en el material genètic de la planta, de manera que s’hi integren establement. En ambdues tècniques, la utilització de gens marcadors ens permet distingir entre les cèl·lules que han estat transformades de les que no.

transgèn

agrobacterium

APLICACIONS

EN VOLS SABER MÉS?

Les plantes transgèniques tenen moltes aplicacions diferents (vegeu l’article de Carlos M. Vicient en aquesta mateixa guia).

Si vols ampliar els teus coneixements sobre aquest tema pots consultar l’article del doctor Carlos M. Vicient, «Gens i transgens» o visitar la pàgina web de la XRB. Altres fonts d’informació força interessants són la pàgina web de l’Institut de Recerca i Tecnologia Agroalimentàries (www.irta.es) i la pàgina web del Ministeri de Medi Ambient i Medi Rural i Marí (www.mapa.es ).

transgĂ¨n

Què fa la biotecnologia per a mi?

Gens i transgens Carlos M. Vicient Centre de Recerca en Agrigenòmica (CRAG), CSIC-IRTA-UAB

Gens i ADN El concepte original de gen procedeix dels treballs de Gregor Mendel, que els va definir com a «unitats independents i diferenciades responsables de la transmissió d’un caràcter discret de pares a fills». En realitat, Mendel no va emprar mai la paraula gen sinó que els va denominar factors d’herència. Cap al 1880, el botànic neerlandès Hugo Marie de Vries va redescobrir les lleis de Mendel i va denominar pangens aquests factors transmissors de les característiques hereditàries (del grec pan, ‘tot’, i genos, ‘origen’). De Vries va descobrir que alguns pangens podien sofrir canvis sobtats que va denominar mutacions, les quals s’heretaven a la descendència. Posteriorment la paraula pangèn es va abreujar i va passar a denominar-se gen. Cap al 1950 es van començar a aportar les proves de la naturalesa molecular dels gens. Es va descobrir que la molècula responsable de la transmissió de la informació genètica era l’àcid desoxiribonucleic (ADN) i que, gràcies a la seva estructura, l’ADN era capaç de dirigir la síntesi de còpies idèntiques de si mateix, principi bàsic de la transmissió d’informació de pares a fills. Posteriorment, es va descobrir que fragments discrets d’ADN contenen la informació necessària per a la síntesi de proteïnes, i es va arribar a determinar que totes les proteïnes d’un organisme viu (els seus constituents bàsics) estan codificades a l’ADN dels seus cromosomes. Després d’aquests descobriments, la definició de gen va passar a ser «el fragment d’ADN capaç de dirigir la síntesi d’una proteïna», definició que actualment només ha variat en alguns matisos. Estructura de l’ADN L’ADN és un polímer, és a dir, una molècula formada per un nombre d’unitats bàsiques que es repeteixen l’una darrere l’altra. Concretament, l’ADN és un polinucleòtid, és a dir, una cadena de nucleòtids. Els nucleòtids són una combinació d’un tipus de sucre denominat desoxiribosa i d’una base nitrogenada. Aquesta base nitrogenada pot ser de quatre tipus: adenina (A), timina (T), guanina (G) i citosina (C). Aquests nucleòtids s’uneixen entre si mitjançant enllaços de fòsfor per formar llargues fileres de milions d’unitats.

L’estructura de l’ADN és una mica més complexa, ja que de manera habitual no es troba en forma d’una sola cadena de nucleòtids sinó de dues cadenes, una enrotllada sobre l’altra, la famosa doble hèlix. En aquesta doble hèlix, les bases nitrogenades de cada cadena queden encarades i s’uneixen entre si, però no de qualsevol manera sinó que les adenines s’enllacen només amb timines, i les guanines amb citosines. Atès que aquest aparellament és estricte, a partir de la seqüència d’una cadena podem deduir la seqüència de l’altra cadena. Aquest és el principi bàsic pel qual l’ADN és capaç de replicar-se, generar còpies idèntiques i permetre el pas de la informació genètica a la descendència. Estructura de la doble cadena d’ADN La informació continguda a l’ADN recau en la seva seqüència i no en la seva composició total. Si imaginem que els nucleòtids són com les lletres de l’abecedari, l’ordre de les lletres (i no el nombre total de cada lletra) és el que ens dóna el significat. De la mateixa manera que entorn i tornen, malgrat tenir les mateixes lletres, no signifiquen el mateix, tampoc contenen la mateixa informació dues cadenes d’ADN amb el mateix nombre de nucleòtids però amb diferent ordre.

Figura 1: Estructura de doble cadena d’ADN.

Què fa la biotecnologia per a mi?

Parts d’un gen Un gen és un tros d’ADN que conté la informació necessària per sintetitzar una proteïna. Ja hem vist que, tractant-se d’ADN, la informació està continguda en la seva seqüència, en l’ordre que se situen els seus nucleòtids. De quina manera aconsegueix la cèl·lula traduir la informació continguda a l’ADN (compost per nucleòtids) a proteïna (composta per aminoàcids)? Aquesta traducció és un dels mecanismes més sorprenents i bàsics de la vida i, per aconseguir-la, la cèl·lula necessita una molècula intermediària, l’àcid ribonucleic (ARN). L’ARN té una estructura similar a l’ADN però és de cadena simple i té ribosa en lloc de desoxiribosa, a més de contenir uracil en lloc de timina. Perquè un gen sintetitzi una proteïna, el primer que ha de fer és separar les dues cadenes de l’ADN deixant entrar entre elles un enzim (una proteïna) denominat ARN- polimerasa, que és capaç de crear una molècula d’ARN complementària a la de l’ADN del gen, de manera que tindrà la seva mateixa seqüència però, en lloc d’ADN, en forma d’ARN. Aquest procés es coneix com a transcripció.

cèl·lules d’un organisme necessiten diferents proteïnes. Per exemple, les proteïnes que sintetitzen clorofil·la només cal que siguin presents a les parts verdes de la planta, però no a les arrels. Per regular l’activitat de cada gen i que només s’activi allà on es necessita, els gens posseeixen una espècie d’interruptors denominats promotors, que activen cada gen només a les cèl·lules on és necessari. Els promotors consisteixen en regions d’ADN situades just davant de la regió codificant i contenen una sèrie de senyals de seqüència que determinen a on i a quin nivell el gen es copiarà a ARN i, per tant, quanta proteïna es produirà. Per exemple, si el promotor del gen A té dos senyals, un de fulla i un altre de jove, llavors aquest gen s’activarà només en fulles joves, però si el gen B té el senyal de jove però no el de fulla sinó el senyal d’arrel, llavors s’activarà a arrels joves. Això és una simplificació, i els promotors reals estan sotmesos a regulacions molt més complexes amb nombrosos factors que les poden afectar. D’aquesta manera, els éssers vius som capaços de coordinar l’expressió dels nostres milers de gens sintetitzant les proteïnes només allà on són necessàries i en els moments adequats.

La informació continguda a l’ARN es tradueix a proteïna en uns corpuscles cel·lulars que s’anomenen ribosomes. Els ribosomes llegeixen grups de tres nucleòtids i els adjudiquen un dels vint aminoàcids que componen les proteïnes. Aquest procés s’anomena traducció. L’equivalència de cada triplet de nucleòtids amb l’aminoàcid corresponent es coneix com a codi genètic. El codi genètic és universal, és a dir, tots els éssers vius tradueixen de la mateixa manera els ARN a proteïna. La part del gen que conté la informació per sintetitzar una proteïna s’anomena regió codificadora. Parts i funcionament bàsic del gen Totes les cèl·lules que componen un ésser viu tenen la mateixa informació genètica i malgrat això no totes les cèl·lules són iguals. Una cèl·lula d’una arrel és diferent a la d’un pètal de la mateixa planta encara que ambdues comparteixen exactament els mateixos gens. La diferència rau en el fet que no tots els gens estan actius en totes les cèl·lules i que, per tant, no totes les cèl·lules tenen les mateixes proteïnes. El pas clau perquè se sintetitzin proteïnes a partir d’un gen és la transcripció, és a dir, la producció de l’ARN. Si no es produeix ARN no es pot sintetitzar la proteïna corresponent. Les diferents

Figura 2: Parts i funcionament bàsic d’un gen.

Funcions dels promotors dels gens A diferència del codi genètic, els senyals dels promotors no són universals, és a dir, no funcionen de la mateixa manera en tots els éssers vius. Això és lògic, ja que a un animal de poc li serviria un senyal de fulla, o a un enciam un senyal de fetge. Però fins i tot entre espècies properes els senyals poden ser diferents. Per exemple, el promotor d’un gen d’ordi pot funcionar bé en un altre cereal com el blat, però és possible que no funcioni correctament en tomàquet, una planta menys relacionada.

Què fa la biotecnologia per a mi?

Per tant, un gen només funcionarà bé si té el promotor adequat procedent de la mateixa espècie o d’una espècie propera. D’altra banda, si canviéssim el promotor d’un gen, seguiria sintetitzant la mateixa proteïna, però en moments o llocs diferents. Finalment, el gen necessita també uns senyals que indiquin on s’acaba l’ARN. Aquest senyal s’anomena terminador i també consisteix en un fragment d’ADN amb una seqüència concreta que se situa darrere de la regió codificant.

Figura 3: Funcions dels promotors dels gens.

Obtenció de plantes trangèniques Què són els organismes modificats genèticament? Un organisme modificat genèticament (OGM) és un ésser viu al qual hem modificat deliberadament un gen que ja tenia o bé hi hem afegit gens nous provinents d’una altra espècie. Únicament en aquest últim cas parlarem d’organismes transgènics. Com que tots els gens estan compostos d’ADN, modificar o afegir gens vol dir modificar o afegir fragments d’ADN. Transformació genètica de les plantes S’entén per transformació el fet d’introduir en el genoma d’una espècie un fragment d’ADN de manera estable. Normalment aquest ADN incorporat conté un o més gens. Transformar una cèl·lula implica que hem d’introduir l’ADN al nucli, tallar la cadena d’ADN d’un cromosoma, inserir l’ADN dintre i tornar a tancar l’ADN. S’han desenvolupat diferents tècniques que permeten fer aquest procés però només dues s’utilitzen habitualment en plantes: infecció per Agrobacterium i biolística.

Infecció per Agrobacterium Podem considerar el bacteri Agrobacterium tumefaciens com un enginyer genètic de la natura. Aquests bacteris viuen normalment al sòl però en determinades ocasions són capaços d’infectar de manera natural arrels, introduint-se a través de ferides. Una vegada allí injecten un tros d’ADN a les cèl·lules vegetals. Aquest fragment d’ADN s’insereix a l’atzar en el genoma vegetal de manera que les cèl·lules en resulten transformades. L’ADN injectat (anomenat T-ADN) conté uns quants gens que fan que, d’una banda, les cèl·lules de la planta comencin a dividir-se sense control i es creï l’equivalent vegetal d’un tumor. D’altra banda, uns altres gens de l’ADN injectat obliguen la planta a dedicar gran part de la seva energia a alimentar el bacteri, sintetitzant i excretant una substància, l’opina, que únicament el bacteri, però no la planta, pot assimilar. Com que els tumors no són letals per a la planta, almenys a curt termini, aquest enginyós paràsit viu a plaer en un teixit on és alimentat i on es pot reproduir en un entorn acollidor i segur. El descobriment que un bacteri era capaç d’introduir ADN a les cèl·lules d’una planta va obrir el camí a la transformació dels vegetals. Des de llavors el bacteri i l’ADN que injecta han estat extensament modificats per eliminar els gens que produeixen tumors i els que obliguen la cèl·lula vegetal a sintetitzar opina. En el seu lloc s’han implantat els gens que es vol introduir en la planta i un gen marcador que, com veurem més endavant, ens permetrà distingir fàcilment entre les plantes que han incorporat el nou ADN de les que no. A partir d’aquestes cèl·lules transformades incubades en un medi adequat, podrem regenerar plantes completes amb el gen del nostre interès inserit en el seu genoma. Biolística Aquesta tècnica es basa en l’ús dels anomenats canons gènics, uns instruments que permeten impulsar microesferes de tungstè o d’or a prou velocitat perquè penetrin en el teixit vegetal. Aquestes esferes es recobreixen amb l’ADN que interessa incorporar. Per atzar, algunes dels milions de micropartícules disparades penetren en el nucli cel·lular i algunes dels milions de molècules d’ADN dipositades sobre la partícula s’introdueixen aleatòriament en el material genètic de la planta, i s’hi integren d’una manera estable. La utilització de gens marcadors ens permet distingir entre les cèl·lules que han estat transformades d’aquelles que no ho han estat.

Què fa la biotecnologia per a mi?

Estructura dels gens introduïts Perquè un gen pugui funcionar en una planta cal preparar una construcció genètica artificial. D’una banda, necessitem la regió codificant del gen que volem introduir. Donada la universalitat del codi genètic, aquesta regió codificant podria provenir de qualsevol ésser viu ja que la proteïna que es produirà serà la mateixa en tots els casos. Davant de la regió codificant hem d’introduir un promotor per regular on i quan s’ha d’activar el gen. Com que els senyals dels promotors no són universals hem d’escollir un promotor que contingui senyals que la planta que anem a transformar sigui capaç d’interpretar correctament. Tots els mètodes de transformació genètica tenen nivells d’eficiència molt baixos, és a dir, la proporció de plantes genèticament modificades respecte al total d’obtingudes és molt petita. És per això que es necessiten mètodes de selecció que ens permetin identificar fàcilment les plantes transformades. Per aquest motiu, juntament amb el gen que ens interessa introduir a la planta, s’afegeix un gen que confereixi una propietat fàcilment identificable a les plantes transformades i que es coneix com a gen marcador. Els gens marcadors que s’han utilitzat usualment confereixen a les plantes la capacitat de sobreviure en un medi en el qual s’ha afegit una substància química letal per a la planta. Tractades amb aquesta substància, únicament sobreviuen les plantes que contenen el gen marcador. Com que el gen marcador i el gen d’interès s’introdueixen junts, en

la mateixa molècula d’ADN, normalment s’introduiran al genoma junts. Per tant, si la planta resisteix al tractament molt probablement contindrà el gen que ens interessa. Quins gens es fan servir com a marcadors de la transformació? Com s’ha dit, gens que confereixen a la planta la capacitat de resistir a alguna substància que en condicions normals seria tòxica. Aquesta substància sol ser un antibiòtic. L’ús de gens que confereixen resistències a antibiòtics en aliments ha disparat les alarmes entre alguns sectors de l’opinió pública per la possible generació de resistències també als humans o als bacteris que habiten l’intestí humà. L’antibiòtic que avui dia es fa servir normalment com a selector és la kanamicina. Perquè la resistència a l’antibiòtic es transferís als humans haurien de produir-se successivament els esdeveniments següents: a) un fragment d’ADN prou gran per contenir el gen de resistència hauria de sobreviure a la degradació enzimàtica del tub digestiu; b) aquest fragment hauria d’introduir-se, en les condicions del tracte intestinal, en un bacteri mitjançant un procés natural l’existència del qual no ha estat mai observada; c) el gen de resistència a l’antibiòtic que en la planta és regulat per un promotor seleccionat per cèl·lules vegetals hauria de transformar-se adequadament per passar a ser regulat pel promotor d’un gen de bacteri. La probabilitat que cadascun d’aquests esdeveniments s’encadenin correctament és tan baixa que el risc resulta negligible i la millor prova d’això és que, tot i que fa milions d’anys

transgèn

agrobacterium

Figura 4: (A) Esquema del sistema de transformació mitjançant el bacteri Agrobacterium. (B) Esquema del sistema de microbombardeig per a la transformació genètica de vegetals.

Què fa la biotecnologia per a mi?

que mengem productes que contenen ADN vegetal i animal, no trobem gens vegetals o animals integrats als genomes dels bacteris de l’intestí humà. Podria ocórrer que si bé l’ADN del gen de resistència a la kanamicina no fos estable, sí que ho fos la proteïna, però la proteïna que confereix la resistència és molt poc estable a l’intestí i només sobreviu una mitjana de deu segons. En qualsevol cas, encara que es pogués transferir resistència a la kanamicina des d’un aliment transgènic, les conseqüències serien irrellevants davant del fet que la flora intestinal de la major part dels éssers humans ja conté bacteris resistents a la kanamicina a causa de l’ús indiscriminat d’aquest antibiòtic en sanitat humana i animal. D’altra banda, la resistència a kanamicina és generalitzada, i es calcula que cada gram de sòl conté entre 1.000 i 100.000 microorganismes resistents a aquest antibiòtic amb els quals habitualment hi ha contacte a través de la ingestió d’aliments. És precisament per totes aquestes raons que la kanamicina està pràcticament en desús en medicina i que es va seleccionar com a gen marcador un gen que confereix resistència a aquest antibiòtic. Modificació dels gens ja existents Les modificacions genètiques de les plantes no sempre consisteixen a introduir-hi gens forans, de vegades es modifiquen gens ja existents, normalment inhibint-ne l’activitat. Hi ha diversos mètodes per aconseguir que un gen deixi de funcionar (ARN antisentit, la interferència d’ARN, inserció de T-ADN) però en tots els casos la idea és la mateixa: impedir que el gen que ens ocupa sigui capaç de dirigir la síntesi de la proteïna que codifica. Aquesta tecnologia té grans aplicacions en recerca bàsica. Si volem saber per a què serveix un gen del qual desconeixem la funció, una manera d’aconseguir informació és veure què ocorre a la planta quan el gen deixa de funcionar. Si, per exemple, desactivem el gen X del qual desconeixem la funció i veiem que les plantes resulten de color blanc sabrem que aquest gen, d’alguna manera, intervé en la formació de la clorofil·la. Però aquesta tècnica també pot tenir les seves aplicacions pràctiques. Per exemple, quan es va desactivar el gen de la poligalacturonasa, proteïna responsable del estovament dels fruits durant la maduració, es van obtenir tomàquets que en madurar no es feien malbé tan fàcilment durant el transport però que mantenien l’aroma i el sabor originals.

Llavors «terminator» Els termes «plantes terminator» o d’altres de similars com ara «plantes amb llavors suïcides» o «amb llavors exterminadores» són maneres de descriure una tecnologia que permet, mitjançant la modificació del seu ADN, generar plantes que produeixen llavors estèrils. D’aquesta manera s’evita que llavors modificades genèticament germinin i s’estenguin sense control a la natura. A més a més, si el pol·len de les plantes transgèniques Terminator fecundés altres plantes de la mateixa espècie, aquesta fecundació no donaria lloc a llavors viables, i eliminaria tota possibilitat de propagació dels transgens. S’ha afirmat que l’objectiu d’aquesta tecnologia és evitar que els agricultors puguin utilitzar les llavors obtingudes en una collita per a la sembra següent. Tot i que és cert que no es poden emprar llavors Terminator en collites posteriors, també és cert que en la agricultura moderna aquesta pràctica de guardar llavors ja no existeix per a la majoria dels conreus ja que s’empren llavors certificades o llavors híbrides que únicament poden produir empreses especialitzades. Les llavors híbrides provenen d’encreuaments entre varietats seleccionades, i l’agricultor les ha de comprar a productors de llavors. Les llavors certificades són llavors que han estat produïdes en condicions òptimes de manera que el productor n’assegura la qualitat, conservació i uniformitat. Per tant, el fet que siguin Terminator moltes vegades no suposa una diferència en la manera d’obtenir les llavors per part de l’agricultor. La dependència de l’agricultor de les empreses productores de llavors existeix a la major part dels conreus, amb o sense plantes transgèniques. Aplicacions No és l’objectiu d’aquest petit article fer un recull extensiu de totes les possibles aplicacions de les plantes modificades genèticament per la qual cosa només se citaran les dues aplicacions més esteses. Resistència a insectes Alguns bacteris del gènere Bacillus tenen gens que codifiquen una proteïna anomenada Bt que té propietats tòxiques només per a determinats grups d’insectes. L’agricultura tradicional ha utilitzat pesticides basats en la proteïna Bt des de fa uns quaranta anys sense resultats indesitjables i són recomanats oficialment en

Què fa la biotecnologia per a mi?

l’agricultura «biològica». El gen que codifica aquesta proteïna Bt ha estat introduït en algunes espècies de plantes, i les ha fet resistents als insectes. Per exemple, el blat de moro Bt és resistent a l’insecte barrinador. Tolerància a herbicides Les males herbes augmenten el consum d’aigua, dificulten les labors de cultiu i la collita, i contaminen els productes finals. Hi ha substàncies herbicides capaces d’afectar només certs grups de plantes i no d’altres. Això permet eliminar certes males herbes sense afectar el conreu, sempre que la mala herba i el conreu no siguin plantes del mateix tipus, i aquest és el gran problema dels herbicides. Per exemple, un camp d’arròs contaminat d’algues serà fàcilment tractable, però si està contaminat per una altra gramínia, no. L’estratègia de modificació genètica en aquest cas consisteix a introduir a les plantes un gen que els confereixi tolerància a un herbicida d’ample espectre. D’aquesta manera, després del tractament amb l’herbicida la planta conreada sobreviu però les males herbes no.

Què fa la biotecnologia per a mi?

GLOSSARI absorció: captació d’una substància gasosa per part d’un líquid. àcid nucleic: substància química que és el suport estructural de la informació genètica. adenina: base nitrogenada que forma part dels nucleòtids de l’ADN i de l’ARN. ADN: molècula que conté la informació hereditària necessària per a la formació i el desenvolupament de la vida.

pluricel·lulars, animals o vegetals, i provoquen alteracions o de la paret cel·lular, o de la membrana protoplasmàtica, o de la síntesi proteica, o del metabolisme dels àcids nucleics, etc. anticòs: proteïna formada i secretada pels limfòcits B i les cèl·lules plasmàtiques en resposta a substàncies estranyes (o antígens). Els anticossos tenen la capacitat de reconèixer i unir-se específicament a l’antigen.

ADN recombinant: molècula d’ADN manipulada per tècniques biotecnològiques.

anticòs monoclonal: anticòs produït per tècniques d’hibridació i que és altament específic per un antígen. La seva especificitat es deguda a que són produïts només per un tipus de cèl·lula del sistema immunitari.

adsorció: captació d’una substància líquida o gasosa sobre la superfície d’un sòlid.

antigen: substància que desencadena una resposta immunitària.

agonista: substància que és capaç d’unir-se a un receptor i de provocar una resposta en la cèl·lula.

ARN: tipus d’àcid nucleic que conté ribosa amb diverses funcions, una de les quals és actuar com a intermediari en la transferència de la informació genètica des de l’ADN fins a les proteïnes.

Agrobacterium tumefaciens: bacteri del sòl que infecta plantes i els injecta el seu ADN, de manera que n’altera el metabolisme en favor propi. agroquímic: substància química que s’empra en l’agricultura. al·lèrgia: resposta immunitària exagerada que certes persones desenvolupen contra algunes substàncies. aminoàcid: molècula que conté un grup carboxil i un grup amino. Químicament n’hi ha de molts tipus. Alguns formen part de proteïnes (aminoàcids proteics) i presenten un carboni anomenat alfa on s’hi enllaça el grup carboxil, el grup amino, un hidrogen i un radical que és el que varia en cada aminoàcid. antagonista: molècula que no té cap resposta biològica en unir-se a un receptor però que bloqueja la resposta dels agonistes sobre el teixit, òrgan o animal complet. antibiòtic: substància química capaç, a baixes concentracions, d’inhibir el creixement de microorganismes o d’eliminar-los. Generalment, els antibiòtics actuen sobre bacteris, i alguns també sobre rickèttsies i sobre certs virus de mida gran, o fins i tot sobre cèl·lules d’individus

ARN antisentit: àcid nucleic amb la seqüència complementària d’un altre, amb l’objectiu de bloquejar-ne la funcionalitat. Bacillus thuringiensis (Bt): bacteri que produeix toxines amb propietats insecticides. bacteri: microorganisme unicel·lular procariota que, a diferència dels organismes eucariotes, no té el material genètic embolcallat amb una membrana nuclear. barrinador del blat de moro: insecte lepidòpter (papallona) que en fase de larva barrina la tija del blat de moro i redueix el rendiment potencial de la planta. biocombustible: combustible produït a partir de matèria orgànica, sovint processada per microorganismes, amb alt poder calorífic com per exemple, palla, fusta, restes de cereals, llots, etc. biodegradació: transformació portada a terme per una alga, un bacteri o un fong d’un compost orgànic en un altre compost més senzill, majoritàriament del seu propi metabolisme central.

Què fa la biotecnologia per a mi?

biodièsel: un combustible renovable per als motors dièsel derivat d’olis naturals. biodisponibilitat: capacitat d’un compost químic per ser captat i utilitzat per un ésser viu, per exemple, un microorganisme. bioetanol: etanol que prové de la fermentació de restes biològiques. biofiltració: descontaminació o desodoració d’efluents gasosos per mitjà de l’aplicació de bioreactors. biofiltre: tipus de bioreactor al qual no es fa un aportament continu de medi líquid. biofiltre percolador: tipus de bioreactor al qual s’aporta medi líquid de manera contínua. biolística: procés pel qual micropartícules cobertes amb ADN són accelerades per un gas comprimit i introduïdes en cèl·lules vegetals. biopel·lícula: capa de microorganismes que es desenvolupa sobre una superfície.

contaminació: presència en un medi natural de matèries o formes d’energia que n’alteren la qualitat i en causen un perjudici de qualsevol tipus. desoxiribosa: sucre de cinc carbonis, que forma part de l’ADN. difracció de raigs X: tècnica consistent a fer passar un feix de raigs X a través d’un cristall de la substància subjecta a estudi per tal d’obtenir informació de la seva estructura. enginyeria genètica: terme que engloba diferents processos per canviar el material genètic. enllaç peptídic: enllaç covalent que es forma entre dues molècules quan el grup carboxil d’una molècula reacciona amb el grup amino de l’altra, i allibera una molècula d’aigua. L’enllaç resultant CO—NH és anomenat enllaç peptídic i la molècula resultant és una amida. Els pèptids i les proteïnes són cadenes d’aminoàcids enllaçats amb enllaços peptídics. enzim: proteïna que catalitza una reacció química.

bioreactor: recipient o sistema que manté un ambient biològicament actiu. biotecnologia: ciència que estudia l’aplicació d’organismes vius per a objectius tecnològics, com per exemple l’obtenció, la modificació o l’eliminació de certs productes. cèl·lula: unitat funcional i d’organització dels éssers vius. citosina: base nitrogenada que forma part dels nucleòtids de l’ADN i de l’ARN. clorofil·la: pigment verd de les cèl·lules de les plantes, receptor de l’energia lluminosa en el procés de la fotosíntesi. codi genètic: codi que estableix la correspondència entre cadascun dels 64 triplets de nucleòtids amb els 20 aminoàcids que formen les proteïnes. condensació: pas d’una substància gasosa a la fase líquida mitjançant l’aplicació d’altes pressions o baixes temperatures.

escala pilot: escala reduïda, prèvia a l’escala industrial d’un procés de producció, on es vol obtenir informació per al disseny i la construcció del fermentador a escala industrial. escalat: disseny d’un procés industrial basat en dades experimentals extretes d’un sistema de menor volum. Escherichia coli: bacteri que forma part de la flora intestinal dels mamífers i que és l’organisme més utilitzat per a l’estudi de les ciències de la vida. espècie: conjunt d’organismes amb característiques similars que poden aparellar-se entre ells. etilè: hormona vegetal gasosa que controla, entre altres processos fisiològics, la maduració dels fruits i el marciment de les flors. fermentador: vegeu bioreactor. fotooxidació: transformació de tipus oxidatiu produïda directament o indirectament per la llum.

Què fa la biotecnologia per a mi?

gen: fragment de material genètic, ADN, que codifica una proteïna.

terístiques agronòmiques millors que qualsevol de les dues varietats inicials.

gen marcador: gen de característiques específiques que acompanya els gens d’estudi i que és utilitzat per detectar els organismes que han estat modificats genèticament.

mala herba: planta herbàcia sense valor comercial que creix salvatge i és considerada un entrebanc per al creixement de la vegetació útil.

genoma: material genètic propi d’una espècie. gluten: proteïna que es troba en la llavor de molts cereals combinada amb midó. guanina: base nitrogenada que forma part dels nucleòtids de l’ADN i de l’ARN. herbicida: substància química que mata les males herbes. hidrocarbur: compost químic format per carboni i hidrogen. incineració: procés pel qual un compost s’oxida sota l’acció d’altes temperatures. insulina: hormona proteica produïda pel pàncrees que té la funció de regular el metabolisme del sucre dins el cos. interferència d’ARN: mecanisme de silenciament de gens específics, exercit per molècules d’ARN complementàries al gen inhibit. kanamicina: antibiòtic de la família dels aminoglicòsids que interfereix en el procés cel·lular de traducció. El gen que determina la resistència a aquest antibiòtic és un marcador de selecció utilitzat freqüentment en organismes transgènics. lípid: substància cel·lular insoluble en aigua que constitueix una reserva energètica de molts éssers vius. llavor certificada: llavor que ha estat produïda en condicions òptimes de manera que el seu productor n’assegura la qualitat, conservació i uniformitat. llavor híbrida: llavor procedent de l’aparellament de dues plantes de varietats diferents i que presenta carac-

malaltia celíaca: malaltia autoimmunitària caracteritzada per una inflamació crònica de l’intestí prim causada per l’exposició a una proteïna d’alguns cereals anomenada gluten o prolamina. medi de cultiu: solució aquosa que conté els nutrients necessaris per al creixement cel·lular. metabolisme: conjunt de reaccions químiques que ocorren en la cèl·lula. microorganisme: organisme unicel·lular o pluricel·lular caracteritzat per la seva organització simple i la seva mida microscòpica. S’hi inclouen algunes algues i fongs, així com els protozous, els bacteris i els virus. millora genètica: manipulació d’un organisme per dotar-lo d’una característica genètica desitjada. nanobiotecnologia: branca de la nanotecnologia que té aplicacions en usos biològics i químics. nanotecnologia: camp de les ciències aplicades dedicat al control i a la manipulació de la matèria a una escala menor que un micròmetre, és a dir, a nivell d’àtoms i molècules. El més habitual és que aquesta manipulació es produeixi en un rang d’entre un i cent nanòmetres. nucleòsid: molècula que es forma de la unió d’una ribosa o d’una desoxiribosa amb una base nitrogenada. nucleòtid: molècula que es forma per mitjà de la unió d’una molècula d’àcid fosfòric i un nucleòsid. nucli cel·lular: part de la cèl·lula on es localitza l’ADN. nutrient: molècula essencial per a la vida, que ha de ser captada del medi per un organisme viu. OGM o organisme genèticament modificat: qualsevol organisme el material genètic del qual ha estat

Què fa la biotecnologia per a mi?

modificat d’una manera que no es produeix en la naturalesa. Entren en aquesta definició les modificacions produïdes per les tècniques de l’ADN recombinant o enginyeria genètica.

proteïna Bt: proteïna produïda pel bacteri Bacillus thuringiensis i que té propietats tòxiques quan és ingerida per alguns grups d’insectes.

organisme: sistema viu amb entitat individual, com per exemple un animal, una planta o un microorganisme, amb capacitat de mantenir-se, créixer i reproduir-se.

proteïna recombinant: proteïna obtinguda mitjançant la introducció d’un ADN aliè dins un organisme hoste el qual sintetitzarà el producte d’aquest gen com si fos propi.

paret cel·lular: capa externa i rígida de les cèl·lules d’alguns organismes com les plantes superiors o els fongs i bacteris.

purificació: procés que porta a la separació d’una proteïna recombinant de la resta de proteïnes que es troben al cultiu.

patogen: qualsevol organisme que pot produir infeccions en un hoste.

quitina: polisacàrid nitrogenat que proporciona fermesa estructural a l’exosquelet dels insectes i a les parets cel·lulars dels fongs.

pèptid: molècula formada per la unió de diversos aminoàcids en un ordre determinat. Els aminoàcids estan enllaçats entre ells mitjançant l’anomenat enllaç peptídic. Els pèptids es diferencien de les proteïnes per què són més petits (tenen menys de deu mil o dotze mil dàltons) i pel fet que les proteïnes poden estar formades per la unió de diversos polipèptids, i de vegades grups prostètics. plaguicida: producte amb activitat tòxica vers plagues de males herbes, insectes o altres organismes que causen danys a l’agricultura. plasmidi: molècula d’ADN separada de la resta d’ADN del genoma, que es troba en bacteris i llevats. En biotecnologia es fa servir per transferir informació genètica d’un organisme a un altre de diferent.

quitinasa: enzim que degrada la quitina. raigs X: part de l’espectre electromagnètic corresponent a radiació menys energètica que els raigs gamma però més que els raigs ultraviolats. La seva longitud d’ona està compresa entre 10 nanòmetres i 100 picòmetres, la qual cosa correspon a freqüències de 30 PHz a 3 EHz. regió codificant: part de l’ADN d’un gen que conté la informació per sintetitzar una proteïna. resistència: característica d’un organisme per la qual és capaç de protegir-se a si mateix dels efectes d’un organisme patogen, d’una plaga o d’una substància química. ribosa: sucre de cinc carbonis, component de l’ARN.

poligalacturonasa: enzim que catalitza la degradació dels polisacàrids que formen les parets cel·lulars vegetals.

ribosoma: gran complex format per diferents ARN i proteïnes on té lloc la síntesi de proteïnes.

prolamina: vegeu gluten. promotor: regió de l’ADN que controla l’activitat d’un gen. proteasa: enzim que degrada proteïnes. proteïna: macromolècula formada per un o més polipèptids, cadascun d’ells format per una cadena d’aminoàcids. Són les unitats funcionals i estructurals bàsiques dels éssers vius.

seqüència d’ADN: ordre de les bases nitrogenades en l’ADN que determina la informació genètica. silenciament gènic: pèrdua de la característica que es vol expressar (però no del transgèn corresponent). síntesi en fase sòlida: mètode en què les molècules s’uneixen a un suport polimèric esfèric i són sintetitzades pas a pas en una solució de reactiu. Comparat amb

Què fa la biotecnologia per a mi?

la síntesi en solució és més fàcil de remoure l’excés de reactiu. sistema immunitari: cèl·lules, teixits i òrgans que ajuden al cos a resistir infeccions i malalties produint anticossos i/o cèl·lules alterades que inhibeixen la multiplicació de l’agent infecciós. solubilitat: mesura de la tendència d’un compost químic a transferir-se a una fase líquida. T-ADN: ADN d’Agrobacterium tumefaciens que porta els gens que es transferiran a la planta durant la infecció. tecnologia de l’ADN recombinant: conjunt de tècniques que tenen la finalitat de combinar o inserir fragments d’ADN per donar lloc a seqüències que no es generarien de forma natural. terminador: seqüència d’ADN que assenyala el final de la transcripció. timina: base nitrogenada que forma part dels nucleòtids de l’ADN (no es troba a l’ARN). tolerància a herbicides: característica d’una planta que li permet créixer en presència d’herbicides. toxina: verí que sol tenir una procedència biològica. traducció: síntesi d’una proteïna a partir d’un ARN. transcripció: síntesi d’un ARN fent servir ADN com a motlle. transformació: introducció de material genètic en una espècie per tècniques de manipulació genètica. uracil: base nitrogenada que forma part dels nucleòtids de l’ARN (no es troba a l’ADN). vacuna: preparació que consta d’antígens d’organismes que causen malaltia que, quan és introduïda en el cos, estimula la producció d’anticossos específics o de cèl·lules alterades. Això produeix immunitat a l’organisme que causa malaltia. L’antigen en la preparació poden ser organismes sencers morts o afeblits o parts d’aquest organisme.

vitamina: substàncies que són essencials en molt baixes quantitats per a la nutrició d’animals i plantes.