Biología sintética de plantas: nuevas biofactorías para la producción de artemisinina en la lucha contra la malaria

02 Marzo 2017

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Hoy en día las terapias basadas en la artemisinina son las más efectivas contra la malaria. El desarrollo de una aproximación biosintética basada en la introducción de los genes responsables de la síntesis del ácido artemisínico, un precursor de la artemisinina, en la planta del tabaco, podría ser la clave para obtener este compuesto a gran escala de una forma más rentable y más accesible para todos que los métodos usados actualmente. (Imagen de portada: De James D. Gathany – The Public Health Image Library – https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=198377)

Teresa Alcaraz-Fructuoso y Diego M. García González

El paludismo o malaria, es una enfermedad potencialmente mortal causada por parásitos del género Plasmodium, fundamentalmente P. falciparum y P. vivax. Dichos parásitos se transmiten al ser humano mediante la picadura de mosquitos hembra infectados del género Anopheles.

Figura 1. Representación del mosquito Anopheles, vector de Plasmodium, causante de la malaria.

Según la Organización Mundial de la Salud (OMS), el número de casos y muertes por paludismo se viene reduciendo apreciablemente desde al año 2000. Sin embargo, la malaria es una enfermedad que, a día de hoy, afecta a casi 215 millones de personas en todo el mundo y mata a casi medio millón. Además, las zonas más afectadas siguen siendo la Región de África (88 % de los casos y las de las muertes a nivel mundial), seguida de la Región de Asia Sudoriental (Fig. 2).

Figura 2. Zonas del mundo afectadas por el paludismo (OMS, 2015).

Actualmente, todos los tratamientos contra el paludismo recomendados por la OMS tienen como principio activo la artemisinina, denominados “tratamientos combinados basados en artemisinina” (del inglés ACTs). La artemisinina es un sesquiterpeno (isoprenoide C15) producido naturalmente en la especie silvestre Artemisia annua originaria de las zonas templadas de Asia.

A escala industrial se obtiene por síntesis química a partir del ácido artemisínico in vitro, compuesto sintetizado en el citosol de los tricomas glandulares de hojas y flores de A. annua. La biosíntesis (Fig. 3) se inicia con la conversión del isopentenil-pirofosfato (IPP) y del dimetil-alil-pirofosfato (DMAPP) en farnesil-pirofostato (FPP). El FPP se convierte en amorpha-4,11-dieno mediante la acción de la amorphadieno sintasa (ADS), y este compuesto es posteriormente oxidado hasta ácido artemisínico mediante la acción conjunta de una monooxigenasa citocromo P450 (CYP) y una citocromo P450 reductasa (CPR).

Figura 3. Ruta metabólica de biosíntesis de la artemisinina. En rojo, aquellas enzimas que mejoran la eficiencia de los distintos pasos de oxidación en levadura (Fuentes et al., 2016).

Desafortunadamente, el costoso proceso de producción y el bajo contenido en artemisinina de A. annua, hacen que los ACTs sean inaccesibles para muchas personas en las regiones más afectadas. Por lo tanto, es imprescindible la búsqueda de nuevas alternativas para la obtención de este metabolito.

Nuevas aproximaciones en biología sintética de plantas y mejores rendimientos en artemisinina…

Investigadores del Instituto Max Planck de Fisiología Molecular de Plantas desarrollaron un método que denominaron “supertransformación combinatoria de líneas transplastómicas receptoras” (del inglés COSTREL) y así obtuvieron plantas de tabaco (Nicotiana tabacum) con un alto rendimiento en biomasa, y por tanto una elevada productividad en ácido artemisínico.

¿Cuáles fueron las etapas para obtener líneas de tabaco COSTREL?

En una primera fase se transfirieron los genes que codifican para las enzimas involucradas en la ruta biosintética del ácido artemisínico desde plantas de A. annua al genoma de los cloroplastos de N. tabacum. Tras optimizar los codones para el genoma del plasto, los casetes de expresión que incluyen las cuatro enzimas principales se muestran en la figura 4.

Figura 4. Mapa físico de la región de genoma plasmídico (ptDNA) usado para la integración de los operones sintéticos de ácido artemisínico y mapas de los loci transgénicos en las líneas de tabaco transplastómicas generadas (Nt-AO1-4), (Fuentes et al., 2016)

De las todas la líneas transplastómicas obtenidas, aquellas con mayor rendimiento en ácido artemisínico fueron elegidas para introducirles un conjunto o “set” de genes adicionales en el genoma nuclear. Estos genes accesorios no están directamente relacionados con la síntesis del metabolito, pero sí que codifican para factores que intervienen regulando y mejorando su producción.

Después de experimentar con cientos de líneas COSTREL (Fig. 4), los investigadores fueron capaces de aislar aquellas con una muy alta producción de ácido artemisínico (más de 120 mg/kg de biomasa fresca).

Figura 4. Aislamiento de líneas COSTREL con altos niveles de acumulación de ácido artemisínico (A) y su alcohol (B). (C) Análisis qRT-PCR de expresión de transgenes implicados en la síntesis de ácido artemisínico. En marrón, las líneas con menor productividad. (D) Líneas COSTREL con alto contenido en ácido artemisínico con un fenotipo similar a la línea transplastómica recipiente correspondiente (Fuentes et al., 2016).

Los científicos responsables señalan que la producción de artemisinina por esta metodología presenta muchas ventajas:

  • Al transformar el genoma de los cloroplastos de tabacum, la biosíntesis de ácido artemisínico se da a nivel de toda la hoja.
  • Los cloroplastos presentan un entorno redox favorable para la oxidación del amorpha-4,11-dieno a ácido artemisínico.

A pesar de que son necesarios más experimentos para elucidar la influencia de los genes accesorios en la producción de artemisinina, estas investigaciones proporcionan una nueva base para la creación de herramientas innovadoras en la síntesis de compuestos terapéuticos.

Referencias bibliográficas

  • Organización Mundial de la Salud; Informe Mundial sobre El Paludismo 2015 (Resumen). http://www.who.int/mediacentre/factsheets/fs094/es/
  • Paulina Fuentes, Fei Zhou, Alexander Erban, Daniel Karcher, Joachim Kopka, Ralph Bock. A new synthetic biology approach allows transfer of an entire metabolic pathway from a medicinal plant to a biomass crop. ELife 2016; 5: e13664. DOI: 10.7554/eLife.13664
  • Lucy C. Okell, Matthew Cairns, Jamie T. Griffin, Neil M. Ferguson, Joel Tarning, George Jagoe, Pierre Hugo, Mark Baker, Umberto D’Alessandro, Teun Bousema, David Ubben,Azra C. Ghani. Contrasting benefits of different artemisinin combination therapies as first-line malaria treatments using model-based cost- effectiveness analysis. Nature Communications 2014, 5:5606.

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