La domesticación de Penicillium: lectura del genoma del moho productor de penicilina
autor: Miguel Vicente
Alexander Fleming decía que descubrir la penicilina, hace ahora 80 años, no ocurrió porque el moho que la produce le gritase que sintetizaba este antibiótico. Si el moho pudiera hablar probablemente nos diría que tampoco su objetivo en la vida es producir penicilina, pero para nosotros el Penicillium, además de estropear frutas y pan, sirve exactamente para eso. Esta semana se ha publicado en internet la secuencia de su genoma y la comparación de la actividad de sus genes en dos estirpes, siendo una de ellas productora de penicilina en cantidad mucho mayor de lo normal. Podríamos decir que el trabajo cuenta cómo se ha domesticado a un moho.
Alexander Fleming decía que descubrir la penicilina, hace ahora 80 años, no ocurrió porque el moho que la produce le gritase que sintetizaba este antibiótico. Si el moho pudiera hablar probablemente nos diría que tampoco su objetivo en la vida es producir penicilina, pero para nosotros el Penicillium, además de estropear frutas y pan, sirve exactamente para eso. Esta semana se ha publicado en internet la secuencia de su genoma y la comparación de la actividad de sus genes en dos estirpes, siendo una de ellas productora de penicilina en cantidad mucho mayor de lo normal. Podríamos decir que el trabajo cuenta cómo se ha domesticado a un moho.
“El Tercer Hombre”, una historia de tráfico de penicilina. Elprecio de una dosis de penicilina, que en 2004 se vendía a 0,75 €, enlos años cincuenta del pasado siglo era, en valor relativo, de 290 €.La película “El Tercer Hombre” contiene en su trama policíaca crímenesque giran alrededor del entonces lucrativo negocio de “cortar” lapenicilina inyectable con agua.
La estirpe de Penicillium chrysogenum a partir de la que se inició la producción de penicilina la suministró un ama de casa de Peoria en 1943, durante la Segunda Guerra Mundial, y la obtuvo de un melón enmohecido. A lo largo de los años los laboratorios farmacéuticos han conseguido derivar estirpes que producen por encima de mil veces más penicilina que el hongo original aislado por Fleming (Penicillium notatum). Esto ha abaratado el coste de este antibiótico y ha permitido su uso clínico para tratar y prevenir un sinfín de infecciones, algo que no solo permite curar muchas enfermedades contagiosas, sino que impide que después de una operación quirúrgica proliferen las bacterias.
Una docena de laboratorios, la mitad de ellos de los Países Bajos y dos de León, han unido sus esfuerzos para averiguar la secuencia del genoma de la estirpe Penicillium chrysogenum Wisconsin54-1255, y para comparar su funcionamiento con el de otraestirpe, DS17690, mejorada para producir más cantidad del antibiótico. Sabemos así que este Penicillium contiene casi 13000 genes funcionales, y unos quinientos que no son operativos. Casi un 30% de los genes son específicos de Penicillium, y lo más interesante es que los genes que intervienen en la producciónde penicilina parecen haber derivado de organismos procariotas, los que como las bacterias y a diferencia de los hongos (y de nuestras células) no tienen su material genético separado del citoplasma. Otra característica de alguno de estos genes es que, al igual que ocurre con los genes de las bacterias, no tienen intrones, los segmentos de ADN que, intercalados dentro de los genes, no contienen información traducible en proteína y que son excluidos por las células eucariotas (las que tienen el ADN en un núcleo separado) a la hora de expresar su información genética.
El proceso de domesticación
Cuandolos investigadores han comparado las dos estirpes en condiciones de producción y no producción de penicilina han encontrado que 2470 de sus genes funcionan a diferente ritmo según el caso. Entre ellos se encuentran bastantes de los genes que se sabe están directamente implicados en la síntesis del antibiótico y de sus precursores. La producción de altos niveles de penicilina no parece depender exclusivamente de la capacidad de sintetizarla, sino también de la eficacia de su transporte desde el citoplasma del moho hacia el exterior, y precisamente se observa que un buen número de los genes que codifican sistemas de transporte funcionan más en las dos estirpes cuando están en las condiciones de producir el antibiótico. Sin embargo, de entre todos los numerosos transportadores que codifica elgenoma, 51 de ellos del tipo del que se supone sirve para transportar la penicilina, no se ha podido todavía identificar cuál de ellos es el que lo hace. Los investigadores sospechan que quizás el transporte de la penicilina puede, como ocurre con muchos procesos biológicos, realizarse por más de una vía.
Abundancia de microcuerpos en la estirpe superproductora de penicilina. Los peroxisomas son unas microestructuras en las que suceden las dos últimas etapas de la síntesis de penicilina. En estas dos fotografías de hifas de Pencillium los microcuerpos aparecen con fluorescencia verde producida por una proteína recombinante que contiene una señal que la integra a las membranas del peroxisoma y la proteína fluorescente verde de una medusa. La hifa de la imagen “b” es la que corresponde a la estirpe superproductora, DS17690.
Aparecen algunas sorpresas, una se refiere a un grupo de genes que degrada el ácido fenilacético, un compuesto necesario para producir la penicilina. Lógicamente estos genes en todas las estirpes productoras de penicilina tienen una importancia residual, pero en las dos estirpes estudiadas todavía responden de la misma forma a las señales que inducen su expresión en presencia de dicho compuesto. Aquí es donde si Penicillium pudiese hablar probablemente nos diría que el objetivo de su vida no se centra en suministrarnos antibióticos.
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Parece que la intensificación del funcionamiento de genes dedicados a la síntesis del antibiótico y de su transporte está acompañada por una disminución de la actividad de otros genes cuyos productos dirigen los procesos celulares de mantenimiento de la forma y de la diferenciación, lo que casa con el aspecto diferente de las estirpes que más antibiótico producen. Los investigadores piensan que todavía cabe la posibilidad de aumentar más la eficiencia en la producción de penicilina, por ejemplo inactivando por completo la inducción de la vía que degrada al ácido fenilacético.
A mí me surgen dos reflexiones, por un lado, de los resultados ahora publicados parece que la adaptación a producir mayores cantidades de penicilina se ha conseguido por medio de cambios, duplicaciones y deleciones que se han ido compensando en el genoma a lo largo de las distintas fases de mejora a que se han sometido las estirpes industriales de Penicillium. Queda por ver si los científicos serán capaces de diseñar no solo cambios que sobre el papel supongan una eficacia mayor, sino si podrán anticiparse a la respuesta del moho, al que lógicamente no se le puede forzar a hacer milagros y por lo tanto reducirá la actividad de otros procesos. Para que esto se consiga será necesario progresar mucho más en el conocimiento que se tiene de la fisiología celular, no olvidemos que la genómica nos suministra tan solo el texto y que por ahora somos casi como un niño al que se le diese un ejemplar de Hamlet cuando acaba de aprender a leer, ¿cuánto tardará en comprender lo que evoca el monólogo ante la calavera de Yorik?
Por otra parte, como la misión del Pencillium queda claro que no es darnos penicilina a nosotros, me parece que aprenderíamos mucho estudiando ahora el fenómeno inverso a la selección de cepas superproductoras. Si ponemos a competir a una de ellas con una estirpe silvestre posiblemente no prospere, pero ¿qué cambios le permitirían hacerlo?, ¿cuántos cambios serían precisos?, ¿se recuperaría el genotipo silvestre?, ¿o se conseguirían otras combinaciones? quizás todo esto arrojaría alguna luz sobre las incógnitas que aún tenemos sobre la fisiología de Penicillium.
REFERENCIA
van den Berg et al. Genome sequencing and analysis of the filamentous fungus Penicillium chrysogenum. Nature Biotechnology. ?Published online: 28 September 2008 | doi:10.1038/nbt.1498
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