El pez
cebra, versatilidad al servicio de la biomedicina
El pez
cebra se ha convertido en un modelo inigualable para investigar diferentes
procesos biológicos. Y ahora, sus cualidades genéticas y embrionarias se
aprovechan para buscar nuevos medicamentos que permitan controlar enfermedades
devastadoras, como el cáncer y el Parkinson
Muchas enfermedades son el resultado directo de errores en las instrucciones
presentes en los genes. Generalmente, los genes ejercen su función biológica a
través de las proteínas. Los genes y las proteínas están presentes en todos los
seres vivos; son los arquitectos de la vida y los ladrillos para su
construcción. La receta para preparar todos los tipos de proteínas está escrita
en los genes. Errores en la información presente en estas recetas o plantillas
se traducen en proteínas que funcionan anormalmente. Sin embargo, y a
diferencia de un restaurante, las recetas en el cuerpo humano no se preparan a
petición del comensal. El embrión, cuando se implanta, ya cuenta con un plan de
desarrollo preestablecido acorde con la especie a la que pertenece. Este plan
corporal consiste en un control temporal y espacial muy estricto, que determina
la variedad de proteínas presentes en cada lugar y edad específicos del organismo.
Los errores en este sistema de control también producen aberraciones en el
funcionamiento de las proteínas. La mayoría de estos errores no son compatibles
con la vida; en el mejor de los casos, generan alteraciones que pueden conducir
a enfermedades devastadoras.
Conocer los agentes causantes de muchas de las enfermedades hereditarias ha
significado por sí mismo un avance fundamental de la ciencia básica. Sin
embargo, la búsqueda de una solución para esas patologías apenas ha comenzado.
Actualmente, los seres humanos mueren de las mismas enfermedades genéticas que
nuestros antepasados hace siglos. Sólo los cambios en el estilo de vida han
modificado la esperanza de vida y la incidencia relativa de ese tipo de
enfermedades. Tal situación explica que el cáncer y los trastornos cardíacos,
por ejemplo, sigan sin un tratamiento eficaz. Urgen, pues, nuevos métodos y
estrategias encaminados a estudiar los mecanismos celulares y moleculares
subyacentes, así como intentar descubrir medicamentos y terapias efectivas
contra estas y otras enfermedades. En los siguientes párrafos abordaremos
algunos de estos aspectos y su relación con la biomedicina y la biotecnología
en un futuro cercano. Un futuro que, sin duda, contará con un diminuto pez
tropical denominado pez cebra.
El pez cebra, modelo biológico
¿Qué tienen en común la mosca del vinagre, el ratón común, el pez cebra y los
humanos? A primera vista muy poco. Sin embargo, años de investigación han
puesto de manifiesto un sorprendente parecido en la mayoría de sus procesos
biológicos fundamentales. Entre las semejanzas están el tipo de proteínas
utilizadas para construir las diferentes partes del cuerpo, los mecanismos
empleados para producir un organismo adulto, así como los procesos que marcan
su envejecimiento y muerte. Por esta razón se puede asegurar que, en este
contexto biológico, lo que es cierto para la mosca del vinagre lo es también
para el ser humano.
Ante tamaño
grado de conservación biológica, determinados organismos lejanamente
emparentados con el ser humano sirven como modelo para identificar agentes
causantes de enfermedades hereditarias.
Entre los
modelos biológicos más cercanos al ser humano se encuentra el pez tropical Danio
rerio, o pez cebra. Durante mucho tiempo, no fue más que una mascota popular.
Su uso en investigación básica se incrementó de manera sustancial hace un
decenio, cuando se demostró que podía ser utilizado en gran escala para
identificar nuevos genes por medio de cribados mutacionales.
En los
cribados mutacionales se inducen errores en la información contenida en los
genes, alterando de esta manera la función de las proteínas que generan. Los
genes dotados de una función específica se identifican por las malformaciones
en la estructura o alteraciones en el proceso de interés que esos errores
causan. Es como tratar de identificar la función de cada una de las piezas de
un automóvil retirando al azar una cada vez para observar cómo afecta a su
funcionamiento.
Sin
embargo, a diferencia de los coches y la mayoría de los vertebrados, los
embriones del pez cebra son transparentes. Esta característica facilita la
identificación del órgano afectado por la mutación. La escala en que se han
llevado a cabo cribados en el pez cebra es sorprendente. Mediante ese método se
han encontrado en los últimos diez años más de mil mutaciones que afectan al
desarrollo de órganos, a su funcionamiento o a lo uno y lo otro. Eso sí, hay
que tener en cuenta que, aun cuando los cribados han generado amplia
información acerca de la función temprana de alrededor de 400 genes, no se ha
establecido todavía la relación de la mayoría de éstos con enfermedades
específicas.
Otras
características explican el éxito del pez cebra como modelo biológico para
estudiar el desarrollo temprano en vertebrados. Por ejemplo, tiene un tiempo
aproximado de generación de tres meses y los adultos se mantienen fértiles
durante más de doce. Esto significa que se puede tener un suministro constante
de embriones a un costo relativamente bajo, comparado con otros vertebrados.
Además, la
fecundación de los huevos y la totalidad del desarrollo se llevan a cabo fuera
de la hembra, condición que facilita el estudio directo de las etapas tempranas
de la ontogenia. Añádase que suelen obtenerse de 200 a 500 embriones por pareja
a la semana. Las ventajas que estas características innatas ofrecen para la
investigación básica se ven favorecidas por el creciente número de técnicas que
se han desarrollado alrededor de este modelo biológico.
La caja de herramientas del pez cebra
Los estudios pioneros de George Streisinger con Danio rerio a finales
de los años setenta sentaron las bases para su posterior uso como modelo
biológico. Tanto el pez cebra como el ser humano son organismos diploides. Es
decir, tienen por duplicado las recetas necesarias para mantener el flujo
constante de la información biológica de una generación a otra. Una copia es
aportada por la madre y otra por el padre.
En el pez
cebra, los embriones con una sola copia cromosómica (haploides) pueden
desarrollarse de manera normal solo hasta las 72 hpf (horas post-fecundación).
Streisinger desarrolló métodos para generar embriones haploides o diploides de
origen exclusivamente materno. De ese modo identificó los primeros mutantes de
esta especie.
Tales
avances metodológicos, junto con el corto período entre generaciones, la gran
cantidad de embriones obtenidos por pareja semanalmente, el reducido tamaño de
los adultos y su desarrollo externo redujeron las restricciones que hasta ese
momento impedían la mutagénesis a gran escala en vertebrados.
La
investigación viene aplicando una amplia diversidad de metodologías que
permiten la manipulación de la función génica en el pez cebra con una excelente
resolución especial y temporal. Por ejemplo, la transparencia del embrión ha
permitido el desarrollo de técnicas no invasoras de observación basadas en
proteínas fluorescentes como la proteína fluorescente verde (GFP, de Green
Fluorescent Protein). Tales macromoléculas emiten un haz de luz que permite
percibir los más íntimos detalles de las células que las portan, en vivo y
en directo. Viene a ser como la diferencia entre seguir una competición
deportiva por television o tratar de reconstruir lo sucedido en ella a partir
de un reducido grupo de fotografías. Esta ventaja constituye una revolución
técnica sólo disponible en el pez cebra.
La
transparencia del embrión ha permitido identificar la dinámica de expresión de
genes diana in vivo por medio de la transgénesis. Por transgénesis se entiende
la capacidad de introducir genes y sus regiones reguladoras dentro del genoma.
Este procedimiento nos faculta para controlar la función génica y observar el
momento y lugar en que se activan los genes diana. No sólo se pueden
identificar grupos de células por medio de la transgénesis, sino también
órganos e incluso procesos fisiológicos, como la digestión de grasas o la
actividad neuronal. Con esa técnica se aceleró el advenimiento de una segunda
generación de cribados mutacionales encaminados a estudiar la función celular
en el contexto del organismo.
Por otra
parte, la microinyección de ARNm o ADN permite la síntesis masiva o regulada de
proteínas. El ADN, ácido nucleico del que están compuestos los genes, se
transcribe en ARNm, copia que sólo se produce cuando lo requiere la célula.
Cuando se inyecta ARNm al comienzo del desarrollo embrionario, todas las
células del embrión fabricarán la proteína correspondiente. De manera opuesta,
el desarrollo de moléculas capaces de reducir los niveles normales de
producción de proteínas (por ejemplo, los morfolinos), ha permitido la
evaluación rápida de la función de genes diana. Los morfolinos se unen al ARNm
y evitan que dirija la síntesis de proteínas.
Asimismo,
es posible generar mosaicos genéticos por medio del trasplante de blastómeros
(células embrionarias) de un organismo a otro. A través de la aplicación de
este procedimiento se han evaluado in vivo los efectos celulares de las
manipulaciones genéticas ya descritas. La identificación de promotores
endógenos —regiones específicas de los genes que indican el momento y lugar en
que la célula requiere la información que esos mismos genes contienen— a los
que se pueda regular a voluntad constituyó la llave para manipular la actividad
génica con gran resolución temporal. Merced a ese puñado de avances
metodológicos, el pez cebra se ha convertido en el segundo modelo biológico de
mayor relevancia entre los vertebrados, después del ratón.
Además de
las herramientas diseñadas para manipular la función genética, la comunidad
científica que trabaja con el pez cebra está generando un grupo de herramientas
virtuales esenciales para entender la función de los genes y las proteínas.
Entre estas
herramientas se cuenta la secuencia de su genoma, vale decir, la identificación
de cada una de las palabras y signos de puntuación presentes en cada una de las
recetas necesarias para construirlo. Y se han establecido patrones de expresión
genética global, así como bases de datos que pueden ser escrutadas libremente a
través de Internet.
El pez cebra, modelo biomédico y biotecnológico
Las mismas características que han hecho del pez cebra una herramienta de gran
valor para estudiar la biología del desarrollo, se aprovechan ahora para el
descubrimiento de nuevos medicamentos.
En
particular, el costo de mantener el pez cebra es entre 100 y 1000 veces menor
que el de mantener ratones de laboratorio. Sin embargo, el mayor ahorro, desde
el punto de vista biomédico, es el de compuestos químicos. Como varias larvas
pueden vivir en un volumen de líquido del tamaño de una gota de agua, sólo se
necesitan cantidades mínimas de los compuestos por ensayo. Una ventaja única
para identificar in vivocompuestos dotados de actividad biológica en fases
tempranas del desarrollo.
No hace
mucho, diversos grupos recurrieron al pez cebra para establecer modelos
biomédicos de enfermedades humanas: la distrofia muscular, la degeneración del
músculo cardíaco, la fibrosis quística, diferentes tipos de cáncer, la anemia,
el procesamiento de colesterol y enfermedades del sistema inmune. Estos
modelos, acoplados con la posibilidad de evaluar el efecto de numerosos compuestos
químicos con potencial terapéutico, han marcado el nacimiento de una nueva
etapa en biomedicina. Una etapa que sustenta su éxito en la investigación
básica. El límite parece hallarse sólo en la imaginación de la comunidad
científica y su capacidad de generar nuevos modelos en el pez cebra que semejen
enfermedades humanas.
Importa
mencionar que no cabe pensar en una aproximación similar con roedores, cuyo
desarrollo ocurre in utero y aportan una cifra limitada de embriones. Por su
parte, los resultados obtenidos de cultivos celulares se resienten de la falta
de contexto, tanto en lo que se refiere al tipo de tejido como a la fase del
desarrollo.
El pez
cebra también ha comenzado a ganar terreno en biotecnología. En ese dominio, se
han diseñado algunas variantes que emiten luz en la oscuridad y pueden usarse
como biosensores, ya que emiten luz únicamente cuando se encuentran en un medio
muy contaminado por metales pesados y otros desechos industriales. Varios
problemas de salud en humanos, entre ellos la esterilidad y el cáncer, guardan
relación con la exposición a este tipo de compuestos.
Habida
cuenta de la preocupación por los efectos de la contaminación del medio y sus
consecuencias en el ser humano, cabe pensar que el número y diversidad de
biosensores generados a partir del pez cebra se multiplicarán en los próximos
años. Por otra parte, adultos o embriones utilizados como biorreactores podrían
ofrecer a la industria una nueva forma de producir a gran escala proteínas que
requieran una maduración compleja.
Conclusiones
El pez cebra se utilizó inicialmente como una herramienta para estudiar el
desarrollo de los órganos en vertebrados.
Después, su
abanico de ventajas experimentales lo han convertido en una herramienta
biomedica y biotecnológica de gran valor añadido. En ambos casos, el alto grado
de semejanza genética y fisiológica con el ser humano han sido de vital
importancia.
Con todo,
la llave de su éxito quizá se deba a la posibilidad de realizar experimentos a
gran escala, ya que permite generar plataformas encaminadas al análisis
sistemático de compuestos químicos con potencial terapéutico. Por este camino
se han identificado nuevos genes y compuestos químicos que regulan la
proliferación descontrolada de células, una esperanza de tratamiento para las
personas con cáncer. Asimismo, se buscan nuevos blancos terapéuticos por medio
del uso sistemático de morfolinos y cribados genéticos.
