Doctor Gilberto Eduardo Salinas García
Profesor investigador del Laboratorio de Genética
Facultad de Agronomía / UANL
La ciencia está formada por un cuerpo de conocimientos, ordenados y sistematizados en forma de hipótesis, modelos y leyes científicas, y por la investigación que genera los nuevos conocimientos que se agregan, o bien que sustituyen, a otros previamente aceptados. La investigación científica se subdivide en básica y aplicada. Generalmente, la investigación básica o “pura” se asocia a la curiosidad y se conceptualiza como la búsqueda del conocimiento por el simple placer de entender mejor el universo. Esta investigación se considera íntimamente ligada al proceso de descubrimiento. En cambio, la investigación aplicada usa información disponible para solucionar un problema, o bien para desarrollar una aplicación práctica o mejorar un método ya existente.
La discusión sobre la conveniencia de utilizar recursos públicos para apoyar la investigación básica se ha venido dando por muchos años, particularmente en países en vías de desarrollo. Esta discusión no es superficial, sino que enfrenta dos concepciones filosóficas; es decir, dos formas de ver cómo se genera la tecnología. La primera utiliza un “modelo lineal”, donde la investigación básica lleva a la investigación aplicada, la cual a su vez se convierte en desarrollo industrial y, entonces, en nuevos productos. El otro modelo es anti-lineal; es decir, se piensa que el avance tecnológico no proviene del conocimiento básico.
REVOLUCIÓN INDUSTRIAL
Los grandes cambios tecnológicos que ocurrieron durante el siglo XVII, tales como la invención del motor de vapor, las máquinas textiles y los desarrollos de nuevas técnicas metalúrgicas, desencadenaron cambios profundos en la organización social, política y económica de la sociedad occidental. A estos cambios se les denominó “Revolución Industrial”, basada en principios de ingeniería mecánica y en conocimiento científico que estuvieron disponibles mucho antes de la revolución científica que estaba ocurriendo en ese mismo siglo y que trajo como resultado el establecimiento del cálculo matemático y la mecánica newtoniana; es decir, la Revolución Industrial no se basó en la ciencia básica de su propio tiempo. Una revolución de alcances aún mayores que la industrial, está ocurriendo actualmente en nuestra sociedad. Se inició en la década de 1930 y se le denomina “Revolución Biológica”.
Entre sus principales desarrollos están la ingeniería genética y la biotecnología moderna. A diferencia de la Revolución Industrial, el cimiento de esta nueva etapa de cambio acelerado es el conocimiento científico generado por la investigación básica que se desarrolla en ciencias como la química, física y biología, y por avances tecnológicos en la informática, cibernética y electrónica.
De esta forma, la conexión entre Ciencia y Tecnología no es ni lineal, ni antilineal; es, más que todo no-lineal. En otras palabras, la investigación moderna exitosa ha demostrado que es resultado de una interacción entre conocimientos básicos, inicialmente no relacionados, tecnología y productos, los cuales forman parte de un tejido fuertemente anudado.
En este ensayo revisaremos la historia de la Biología Molecular, desde la perspectiva de la investigación básica y la interdisciplinariedad que le dio origen, así como de las aplicaciones que surgieron de ella, como la Ingeniería Genética y la biotecnología moderna, con ejemplos de sus aplicaciones en la Agricultura.
HISTORIA DE LA BIOLOGÍA MOLECULAR
A pesar de su gran importancia actual, el origen de la Biología molecular es reciente, ya que se remonta a la década de 1930. La fundación de la Biología Molecular es un ejemplo de interdisciplinariedad, ya que en ella trabajaron genetistas, físicos y químicos, alrededor de un problema o interés común: la estructura y función del gen. Aunque a principios del siglo XX se redescubrieron las Leyes de Mendel, no se conocían los mecanismos de duplicación, mutación y expresión de los genes. En 1910, un grupo liderado por Thomas H. Morgan fue el primero en demostrar que los cromosomas eran las unidades que llevan los genes. En 1927, un discípulo de Morgan, Hermann J. Muller, utilizó por primera vez los rayos X para causar mutaciones en la mosca de la fruta y utilizó esta técnica para investigar el tamaño y la estructura del gen. Para 1936, Muller reconoció que como genetista, estaba limitado para poder explicar las propiedades y funciones fundamentales de los genes, y en un famoso escrito de 1936 concluyó:
“el genetista no tiene posibilidad de analizar más allá las propiedades del gen. Aquí el físico, así como el químico, deben intervenir. ¿Quién es voluntario para hacerlo?”. En la siguiente década, varios físicos de primer nivel pusieron su atención en el problema biológico de la herencia. Erwin Schroedinger propuso una explicación meramente Física a la estructura del gen: “es un cristal aperiódico”. Max Delbrueck llegó a la biología motivado por una conferencia de su maestro Niels Bohr, en la que este último propuso, a diferencia de Schroedinger, la complementariedad de la Física y la Biología. Delbrueck decidió que la mosca era demasiado compleja, y decidió utilizar un virus que ataca bacterias (fago). Delbrueck y otro físico convertido en biólogo, Salvador Luria, fundaron el “Grupo Fago” a principios de la década de 1940, lo cual marcó un punto muy importante en la fundación de la Biología Molecular. Este nuevo modelo experimental, el virus, permitió que Alfred Hershey y Martha Chase pudieran agregar evidencia concluyente a lo que previamente, en 1944, Oswald Avery había demostrado en bacterias, que los genes no eran proteínas sino ADN.
EL FENÓMENO HEREDITARIO
Aunque Delbrueck facilitó la colaboración entre físicos y biólogos, no consideró los aspectos químicos que después vendrían a llenar los huecos en el entendimiento del fenómeno hereditario. Linus Pauling utilizó sus conocimientos de química para estudiar la relación entre los enlaces débiles y la estructura de las macromoléculas (proteínas y ácidos nucleicos). El trabajo teórico y experimental de Pauling con la estabilidad de moléculas grandes, sentó las bases para entender la estructura y función de proteínas y ácidos nucleicos. Adicionalmente, el grupo de Pauling utilizó la técnica de cristalografía de rayos X, lo que le permitió, en combinación con el uso de modelos a escala, descubrir la estructura en forma de hélice alfa de las proteínas. En este punto de la historia aparece por primera vez el término “Biología molecular”, introducido en 1938 por Warren Weaver, cuando escribió: “…y gradualmente está apareciendo una nueva rama de la ciencia –la Biología molecular- la cual está comenzando a descubrir muchos secretos relacionados con las unidades básicas de la célula viviente, en la que están siendo utilizadas técnicas sofisticadas para investigar detalles aún más pequeños de ciertos procesos de la vida”.
El período clásico de la Biología Molecular se inició en 1953, cuando James Watson y Francis Crick descubrieron la estructura de doble hélice del ADN. Este hecho marca la coincidencia, en lugar y tiempo, de conocimientos, técnicas y productos tecnológicos diversos: los datos de cristalografía de rayos X del ADN de Maurice Wilkins y Rosalind Franklin, el trabajo teórico de Crick con cristalografía y las técnicas de construcción de modelos a escala iniciadas por Pauling. A partir del descubrimiento de la estructura del ADN, la Biología molecular centró su interés en la relación entre la estructura de la doble hélice y los procesos de replicación y funcionamiento de los genes. A partir de este momento se considera al gen como una molécula “informativa”; es decir, la secuencia lineal de bases nitrogenadas en una cadena de DNA provee información codificada para dirigir el orden en que se agregan aminoácidos en una cadena polipeptídica de una proteína en formación. El tratar de descifrar la relación entre la secuencia de bases en el DNA y los aminoácidos en la proteína, desató una competencia entre grupos de investigadores, la cual fructificó cuando, en 1966, Marshall Nirenberg y Har Gobind Khorana dilucidaron el código genético. Por los siguientes 15 años, pareció que el concepto de gen estaba bien firme, dada la relación lineal entre la estructura del gen y de su producto.
GENES TRASLAPADOS
Sin embargo, a mediados de la década de 1970, se descubrieron los genes traslapados; es decir, cadenas de aminoácidos que pueden ser sintetizadas a partir de la misma porción de ácido nucleico, simplemente iniciando la “lectura” del gen a partir de diferentes puntos de la secuencia del ADN. En esa misma década, se descubrió que los genes de especies superiores están divididos en porciones codificadoras (exones) y otras no codificadoras (intrones). Para hacerlo aún más complicado, en 1978 se descubrió que el reacomodo de los exones podría hacerse en formas alternativas, de tal manera que una misma secuencia de ADN puede dar origen a un sinnúmero de cadenas de aminoácidos. En conjunto, estos descubrimientos hicieron que los biólogos moleculares reconsideraran el concepto de gen.
Aunadas a todos estos avances en el conocimiento biológico producido por la investigación básica, se desarrollaron técnicas y tecnologías que en su momento permitieron el desarrollo de experimentos cruciales para someter a prueba hipótesis científicas. Estas técnicas permitieron la manipulación del material hereditario. Por ejemplo, la recombinación de DNA proveniente de especies diferentes se debió al descubrimiento realizado por Stewart Linn y Werner Arber, de las enzimas de restricción, a fines de la década de 1960, las cuales permiten cortar el ADN en sitios específicos, y de las ligasas que “pegan” los fragmentos de ADN.
Con estas herramientas genéticas, en 1973 Herbert Boyer y Stanley Cohen desarrollaron el primer experimento de clonación de ADN recombinante, al insertar ADN dentro de un plásmido y usar este plásmido transgénico para transformar una bacteria. Ese mismo año se identificó el plásmido Ti de la bacteria Agrobacterium tumefasciens, el cual ha sido usado ampliamente para ingeniería genética en plantas. En 1977 se establecieron las técnicas para la secuenciación del ADN; es decir, la identificación del orden de bases nitrogenadas que contiene una porción de ADN. Las técnicas de secuenciación se desarrollaron una vez que la clonación de fragmentos de ADN había sido establecida rutinariamente.
Otra tecnología que ha revolucionado las ciencias biológicas y que surgió de esta mezcla de investigación básica, métodos de laboratorio y productos fue la Reacción en Cadena de la Polimerasa (PCR por sus siglas en inglés) la cual fue concebida por Kary Mullis en 1983, cuando trabajaba en un proyecto para diagnosticar enfermedades, usando la técnica de secuenciación de ácidos nucleicos de Sanger y Coulson. Este momento marcó el inició de la técnica de PCR, que ha revolucionado la Biología Molecular. Este resumen histórico de la Biología Molecular trata de ilustrar las relaciones entre investigación básica, métodos y productos tecnológicos, que a su vez estimulan nuevos descubrimientos y el desarrollo de nuevos productos y tecnologías. Esta interrelación no es lineal, ni tampoco antilineal, y la podemos definir como no-lineal.
AGROBIOTECNOLOGÍA Y AGRICULTURA SUSTENTABLE
La población humana mundial rebasó recientemente los 6 mil millones y está creciendo a una tasa anual de 1.5 (México tiene una tasa de 2.5). A pesar de la introducción de nuevas tecnologías de producción agrícola, aún quedan en el mundo más de 800 millones de personas mal nutridas. Se estima que para el año 2025 se deberá duplicar la producción mundial de alimentos, para satisfacer las demandas de una población más grande y con mayor poder de compra.
La Biotecnología moderna se define como “cualquier técnica que usa un organismo viviente o sustancias provenientes de estos organismos para hacer o modificar un producto, mejorar plantas o animales o desarrollar microorganismos para usos específicos”. La Biotecnología es producto del desarrollo de varias ciencias y disciplinas, primordialmente de la Biología Molecular, Biología Celular, Ingeniería Genética y el cultivo de tejidos in vitro.
Los avances biotecnológicos en Agricultura, Medicina y las Ciencias del Ambiente está provocando en la sociedad moderna cambios profundos que tienen implicaciones económicas, éticas y sociales tan grandes, que se considera que representan una nueva “revolución”, con alcances aún mayores que los de la Revolución Industrial o la Revolución Verde. La Agricultura es el cultivo de la tierra y la cría de animales domésticos para la producción de satisfactores de la sociedad humana.
La degradación y erosión de los suelos, la contaminación de agua y aire, la pérdida de recursos genéticos y el aumento en la desnutrición y la pobreza en el medio rural son algunos problemas asociados a los procesos de producción agrícola extensivos. Esta problemática señala la necesidad de convertir los procesos de producción agrícola en sistemas agrícolas sostenibles.
AGRICULTURA SUSTENTABLE
La Agricultura sustentable, entendida como “la modalidad que posibilita la satisfacción de las necesidades de la generación humana actual sin menoscabar las posibilidades de las futuras generaciones en satisfacer las propias”, es uno de los mayores retos de la Ciencia y de la sociedad humana.
Algunos componentes de la Biotecnología moderna que contribuyen para alcanzar una agricultura sustentable son:
a) Genómica, que aporta valiosa información para la conservación, clasificación y aprovechamiento de la biodiversidad de plantas, animales y microorganismos.
b) Mejoramiento molecular, que permite identificar y evaluar caracteres deseables en programas de mejoramiento de plantas y animales, a través de la selección asistida por marcadores moleculares.
c) Diagnóstico molecular, que consiste en la caracterización molecular de ácidos nucleicos y proteínas para la identificación más exacta y rápida de patógenos y otros organismos.
d) Transformación genética, proceso por el cual el material genético llevado por una célula individual es alterado por la incorporación de DNA exógeno dentro de su genoma. Este procedimiento introduce uno o más genes que confieren caracteres potencialmente útiles en plantas, animales y microorganismos.
e) Cultivo in vitro de células, tejidos y organismos. Estas técnicas permiten la multiplicación extensiva de algunos genotipos superiores o de especies en peligro de extinción.
La Biotecnología tiene potencial para reducir el uso de insumos industriales en la agricultura; el riesgo de estrés biótico y abiótico; incrementar los rendimientos y mejorar la calidad de los productos agrícolas. Sin embargo, no representa una solución “mágica” para alcanzar la seguridad alimentaria que el mundo necesita; pero, en conjunción con otras ciencias y disciplinas, como la autoecología, la sociología y la economía agrícola, puede ser una herramienta poderosa en contra de la pobreza y a favor de la productividad agrícola y el uso sostenible de los recursos naturales.
COMENTARIO FINAL
El financiamiento de la ciencia básica es importante para la sociedad como un todo, pero generalmente no lo es para un inversionista en particular. Aquéllos que hacen descubrimientos fundamentales, generalmente no se llevan los beneficios económicos, ya que las leyes de la naturaleza no pueden ser patentadas. Además, es difícil predecir el valor y el plazo en que se lograrán productos derivados con valor comercial.
La inversión en Ciencia Básica es un “bien público” costoso de producir, como la seguridad o la salud pública, pero una vez construidos, quedan disponibles para ser usados por todos, por lo que sólo pueden ser pagados con fondos públicos. Los gobiernos deberían apoyar la Ciencia Básica, sobre la base de los beneficios obtenidos en la cultura general de la población, el conocimiento producido, los productos y tecnologías derivadas y el capital humano desarrollado. Por otra parte, la mayoría de la investigación aplicada debería ser responsabilidad de la iniciativa privada. Cuando se prevé la obtención de beneficios económicos, la iniciativa privada seguramente invertirá.
En este caso, los gobiernos deberían estimular la colaboración entre empresarios y universidades. Algunas excepciones a esta recomendación serían las áreas en que un país tiene un desarrollo incipiente y no existe un sector privado vigoroso, como es el caso de la agricultura en ciertas regiones de México; o bien en temas de interés público, como podrían ser el ambiente, la educación o la salud pública.
