N.77 – Contribuciones para preservar la biodiversidad

La preservación de recursos genéticos es fundamental para promover la supervivencia de las especies animales y vegetales frente a amenazas como de propagación de enfermedades, desastres naturales o cambios ambientales como el calentamiento global. La presente reseña comprende seis artículos referidos a propuestas biotecnológicas para preservar la biodiversidad y la vida. El primero (1) trata sobre la liofilización como herramienta para preservar recursos genéticos. El segundo (2) aborda la transformación de células madre de ratón en embriones mediante un biorreactor, El tercero (3) se refiere a ratones estériles que generan esperma de rata. El cuarto (4) trata sobre la restauración de la actividad de células y órganos de un cerdo después de su muerte. En el quinto (5) se muestra la viabilidad de la ingeniería cromosómica en mamíferos. En el sexto (6) se describe cómo la comparación genómica entre una medusa inmortal y una mortal revela procesos claves del rejuvenecimiento permanente

1.- Primer artículo: La liofilización como herramienta para preservar recursos genéticos: Podría ser fundamental para promover la supervivencia de especies amenazadas (1.1) (1.2.) (1.3.) (1.4.)

Un biobanco es un centro que recoge, almacena y distribuye colecciones de muestras de origen biológico con destino a actividades de investigación o de preservación de especies en peligro de extinción. Muchas de estas colecciones son crioconservadas en nitrógeno líquido (LN2), que permite preservar muestras biológicas sin alterar su integridad, pero esta técnica exhibe un alto costo de mantenimiento y el riesgo de corte de suministro en caso de accidentes o desastres.

Para superar dichas limitaciones, un equipo de investigadores liderado por Teruhiko Wakayama, de la Universidad de Yamanashi, propone un método más eficiente para preservar muestras de material biológico. En el estudio, el equipo clonó ratones sanos a partir de células liofilizadas que habían sido almacenadas durante nueve meses. La liofilización es una técnica de preservación en la que se deshidrata una muestra sometiéndola a congelación y eliminando posteriormente el hielo por sublimación. Esta técnica se utiliza actualmente para conservar proteínas y otras moléculas de interés terapéutico, así como cultivos bacterianos.

En un primer paso de la investigación, el equipo de Wakayama extrajo células de la granulosa ovárica de ratones hembra. Los autores sometieron a estas células, que producen los esteroides necesarios para la foliculogénesis y la ovulación, a un proceso de liofilización. Tras la liofilización, las células de la granulosa ya no conservaban sus funciones biológicas (no estaban vivas), pero su ADN se mantuvo intacto y funcional, tal y como se demostró en experimentos posteriores. Nueve meses después de la liofilización, el equipo rehidrató las células liofilizadas e introdujo su material genético en oocitos de ratón, generando unos primeros embriones con la información genética de las células liofilizadas. A partir de unos 2.000 embriones obtenidos, sólo se logró obtener 19 ratones clonados sanos que no presentaron alteraciones en su longevidad o su fertilidad. En una segunda prueba con el mismo procedimiento, esta vez a partir de células de ratones machos y hembras, el equipo logró clonar de forma efectiva un total de 56 ratones sanos a partir de poco más de 1.300 embriones. Posteriores análisis demostraron que las hembras obtenidas a partir de la clonación de células liofilizadas no presentaron alteraciones en su capacidad reproductiva y su descendencia no exhibió complicaciones asociadas al proceso de clonación. Los ratones clonados presentaron, además, una longevidad similar a la esperada para ratones normales.

Este estudio supone una mejora en el desarrollo de técnicas más eficientes para la preservación de muestras biológicas, a la vez que evidencia las actuales limitaciones en cuanto al rendimiento de la clonación de células liofilizadas. Futuras investigaciones ayudarán a perfeccionar esta técnica de conservación de material genético para que pueda ser utilizada de forma efectiva en biobancos de una manera segura y de bajo costo.

2.- Segundo artículo: Células madre de ratón se transforman en embriones (2.1.) (2.2.) (2.3.) (2.4.) (2.5.) (2.6.)

La receta para la vida de los mamíferos es simple: “toma un óvulo, agrega esperma y espera”. Pero dos equipos de investigación independientes muestran, a través de sus respectivos artículos ((2.1.) y (2.2.)) que, en las condiciones adecuadas, las células madre pueden dividirse y autoorganizarse en un embrión. Ambos equipos cultivaron modelos de embriones sintéticos de ratones a partir de células madre durante más tiempo que nunca antes. Los embriones crecieron durante 8,5 días (casi la mitad de los 20 días de gestación del ratón). En ese tiempo cada embrión formó un corazón con latidos, circulación sanguínea, un cerebro con pliegues neurales, un tubo neural y un tracto intestinal. En comparación con los embriones naturales de ratón, los modelos sintéticos mostraron una notable similitud en la forma de las estructuras internas y los patrones de expresión génica de diferentes tipos de células. Ambos estudios se empoderan mutuamente por haber sido ejecutados por dos experimentados equipos que obtuvieron resultados bastante similares de manera independiente.

El primer equipo fue liderado por Jacob Hanna en el Departamento de Genética Molecular del Instituto de Ciencias Weizmann de Israel, mientras que el segundo lo fue por Magdalena Zernicka-Goetz, con laboratorios en la Universidad de Cambridge, Reino Unido, y el Instituto de Tecnología de California en Pasadena.

El equipo de Hanna utilizó dos avances previos: (a) un método eficiente para reprogramar las células madre en su etapa más temprana, y (b) un innovador biorreactor controlado electrónicamente para cultivar (con nutrientes y factores de crecimiento) embriones de ratón. El equipo de Zernicka-Goetz contó con el apoyo del equipo de Hanna, quien señaló: “Compartimos el cerebro de nuestro biorreactor con quienes lo pidieron para sus experimentos, incluidos Zernicka-Goetz y sus colegas”. Este equipo realizó también un experimento en el que eliminaron un gen llamado Pax6, que tiene un papel clave en el desarrollo del cerebro, hallando que los cerebros de los ratones no se desarrollaron correctamente, replicando lo que ocurre en los embriones naturales que carecen de ese gen. El resultado muestra “que el sistema es realmente funcional”, dice Zernicka-Goetz.

Para los investigadores, estos modelos sintéticos aportan muchas ventajas sobre los embriones naturales creados a partir de óvulos y espermatozoides. Debido a que crecen fuera del útero, son mucho más fáciles de observar y de manipular con herramientas de edición del genoma. Eso podría hacerlos útiles para descubrir el papel de diferentes genes en defectos de nacimiento o trastornos del desarrollo. Zernicka-Goetz planea usar este modelo para comprender por qué fallan los embarazos. Hanna prevé usar la técnica para desarrollar embriones humanos sintéticos que puedan ser una fuente de nuevos órganos y tejidos para las personas que los necesiten. También podría ayudar a estudiar cómo las células madre forman diversos órganos en el embrión en desarrollo, y algún día viabilizar el cultivo de tejidos y órganos para trasplante utilizando modelos sintéticos de embriones. “El embrión es la mejor máquina para fabricar órganos y la mejor bioimpresora 3D. Intentamos emular lo que hace”, dijo Hanna. También podría ayudar a los investigadores, en gran medida, a evitar los problemas éticos y técnicos relacionados con el uso de embriones humanos en investigación y biotecnología. Dado que los embriones sintéticos (provenientes de células madre) podrían crecer por millones, además de ayudar a reducir el uso de animales en la investigación, podrían convertirse -en el futuro- en una fuente confiable de células, tejidos y órganos sintéticos para trasplante. “En lugar de desarrollar un protocolo diferente para cultivar cada tipo de célula (por ejemplo, las del riñón o del hígado), algún día podría crearse un modelo sintético similar al embrión y luego aislar las células necesarias. No sería necesario dictar a los órganos emergentes cómo deben desarrollarse, ya que el embrión lo hace mucho mejor”, dijo Hanna. “Nuestro próximo desafío es comprender cómo las células madre saben qué hacer, cómo se autoensamblan en órganos y encuentran el camino hacia los lugares asignados dentro de un embrión”, dijo Hanna. “Y dado que nuestro sistema es transparente (a diferencia de un útero) puede resultar útil para modelar diversas anomalías, así como para producir tipos de células que se pueden trasplantar para tratar enfermedades humanas”.

Cuanto más se avanza con estos embriones, mayores son las inquietudes éticas. La Sociedad Internacional para la Investigación de Células Madre emitió pautas señalando que este tipo de investigación debe tener un fundamento científico convincente y usar la cantidad mínima de embriones necesaria para lograr el objetivo científico. A medida que los investigadores vayan trabajando con modelos de embriones humanos que comiencen a desarrollar órganos, será necesario algún tipo de consenso ético y avanzar con cautela y transparencia.

3.-Tercer artículo: Logran que ratones estériles produzcan esperma de rata (3.1.) (3.2.)

En la mitología griega “Quimera” es un monstruo generalmente representado con cabeza de león, cuerpo de cabra y cola de dragón. En el ámbito científico, la palabra “quimera” denota un organismo generado artificialmente a partir de células procedentes de dos o más especies diferentes. En el Newsletter DPT se publicaron diversos artículos vinculados con quimerismo biotecnológico (*).

Las células madre pluripotentes embrionarias (embryonic stem cells, ESC) y las células madre pluripotentes inducidas (induced pluripotent stem cells, iPSC) tienen una propensión única a diferenciarse en cualquier tipo de célula del organismo adulto, incluidas las células germinales. La inyección de PSC de ratón o rata en blastocistos puede producir quimeras que albergan la contribución de PSC en todos los tipos de células y órganos, incluida la línea germinal, lo que convierte a las PSC modificadas genéticamente en un método comúnmente utilizado para la producción de animales transgénicos. Si bien las PSC proporcionan una poderosa herramienta para la investigación biomédica, continúa siendo un desafío la generación de óvulos o espermatozoides a partir de ellas.

En el artículo aquí reseñado investigadores de la Escuela Politécnica Federal (ETHZ) y la Universidad de Zúrich (UZH), ambas en Suiza, describen cómo generaron –mediante complementación de blastocistos interespecie- espermatozoides de rata en ratones estériles. Esta investigación preliminar representa un avance significativo: “Nuestro trabajo proporciona una prueba de principio de que es posible generar espermatozoides de una especie en animales estériles de otra”, comentó a SINC Ori Bar-Nur, biólogo de células madre en ETHZ y autor principal del estudio. Para lograrlo, los investigadores inyectaron PSCs de rata en embriones de ratón en los que se había mutado un gen esencial para la producción de esperma. Como consecuencia de la mutación genética inductora de esterilidad, se desarrolló un nicho vacío dentro de los testículos, lo que permitió que las células de rata los colonizaran y generaran esperma. La sorpresa fue que todos los espermatozoides de las quimeras eran de rata. Ello significa que, a pesar de su esterilidad, el huésped pudo sustentar la producción eficiente de espermatozoides de una especie animal diferente. Cabe señalar que los espermatozoides –si bien parecían morfológicamente indistinguibles de los producidos por ratas normales- eran inmóviles y con bajas tasas de fertilización de óvulos. En el futuro, los autores intentarán producir animales vivos a partir de esperma de rata que se haya producido en quimeras.

Los autores señalan que el estudio abre el camino para dos importantes aplicaciones: (a) mejorar la producción de ratas transgénicas para modelar enfermedades humanas en la investigación biomédica, y (b) producir gametos (óvulos y espermatozoides) de animales en peligro de extinción, para apoyar la conservación de la biodiversidad: “Gracias a este procedimiento, podríamos producir las células germinales de un roedor en peligro de extinción a través de la generación de quimeras”, afirma Bar-Nur.

(*) Ver, por ejemplo, “Quimerismo y xenoimplantes de órganos y tejidos provenientes de cerdos” Newsletter DPT N° 67. Diciembre 2021.