La prisa por desarrollar una vacuna para COVID-19 se ha extendido a Italia e Israel, donde los científicos están utilizando las herramientas de ingeniería genética para desarrollar «vacunas comestibles» mediante microalgas genéticamente modificadas (GM) con antígenos contra la enfermedad causada por el nuevo coronavirus.
Cornell Alliance for Science / 12 de junio, 2020.- Como expliqué en un reporte anterior sobre el trabajo en curso en México para desarrollar una vacuna comestible para COVID-19 administrada a través de un tomate, las plantas tienen numerosas ventajas (principalmente sanitarias, de almacenamiento y transporte) sobre los métodos convencionales para obtener vacunas recombinantes. En la búsqueda bibliográfica para ese reportaje, observé que las microalgas (un tipo de alga pequeña y unicelular) es otra vía para obtener proteínas recombinantes y vacunas comestibles, con resultados notables hasta ahora.
Bajo este enfoque ya se han realizado una serie de desarrollos experimentales en vacunas orales contra patógenos como hepatitis B, malaria, virus del papiloma humano (VPH), enfermedad de mano, pie y boca (FMPV), peste porcina clásica (CSFV) y Staphylococcus aureus, con algunos ensayos pre-clínicos exitosos. La mayoría de estos trabajos utilizan Chlamydomonas reinhardtii, una pequeña alga unicelular y eucariota, como modelo de investigación y producción de fármacos y vacunas debido a su práctico manejo de laboratorio y transformación genética.
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Con estos antecedentes, no fue extraño encontrar que no solo se están desarrollando kits de detección, spray nasal y potenciales fármacos para COVID-19 mediante algas, sino que también ya hay dos grupos científicos trabajando a contrarreloj para desarrollar vacunas comestibles en base a algas para el mismo virus. Antes de entrar en los detalles sobre ambas investigaciones, mi duda inicial recaía en las diferencias técnicas y de manejo que podrían tener las algas en comparación a cultivos en campo o invernaderos.
“Su cultivo puede realizarse en tierras infértiles o no aptas para cultivo, ya que son capaces de utilizar como fuente de nutrientes residuos y transformarlos en una amplia cantidad de moléculas de alta calidad”, me responde en un intercambio de correos el biotecnólogo Daniel Garza, el mismo científico que lidera la investigación del tomate-vacuna para COVID. Anteriormente Garza desarrolló un proyecto de biotecnología ambiental para descontaminación del aire a través de microalgas en México, por lo cual aproveche su expertis antes de proseguir investigando.
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“Además es un proceso sustentable debido a que durante su cultivo son capaces de utilizar el carbono atmosférico (CO2) retirándolo y transformándolo en biomasa de alto valor” agrega Garza. “Poseen una importante ventaja en costo derivada de su alta tasa de crecimiento y su bajo costo de cultivo, lo cual las hace idóneas para la expresión de nuevas vacunas y sustituir aquellas que son costosas”.
Fotobiorreactores en la Universidad de Verona, Italia
El primer trabajo para desarrollar una vacuna en microalgas, proviene de uno de los países más fuertemente golpeados por COVID-19 desde el inicio de la pandemia, Italia, específicamente desde el Laboratorio de Fotosíntesis y Bioenergía del Departamento de Biotecnología de la Universidad de Verona, dirigido por los profesores Roberto Bassi y Luca Dall’Osto.
Este laboratorio trabaja con una amplia gama de organismos fototróficos, incluidas algas unicelulares, musgos y plantas superiores, y además, tiene una fuerte línea de ingeniería genética en plantas modelo y algas unicelulares para expresar productos y enzimas recombinantes con aplicaciones industriales y de energía renovable.
“La capacidad de realizar ingeniería genética, especialmente en el alga unicelular del organismo modelo Chlamydomonas reinhardtii, ha proporcionado la base para contribuir al desarrollo de una vacuna oral contra la cepa viral SARS-COV-2 recientemente emergida, responsable de la pandemia actual que amenaza la salud global” afirma el Dr. Edoardo Cutolo, en una detallada entrevista (complementada con valiosa bibliografía) para Cornell Alliance for Science. Este pionero proyecto involucra a Cutolo y su colega Dr. Max Angstenberger, además del apoyo del Dr. Simone Barera.
El equipo de científicos aplica dos enfoques diferentes para introducir en el genoma de las microalgas una secuencia de ADN que codifica un antígeno derivado de SARS-COV2 (recordemos que el antígeno, para este caso, es una proteína o porción de proteína que produce una respuesta inmunitaria en nuestro cuerpo, generando finalmente anticuerpos contra el virus). La secuencia insertada corresponde a una porción del dominio de unión al receptor (RBD) de la proteína espiga del famoso virus, requerida para unirse al receptor ACE2 y así ingresar e infectar las células del huésped.
“Utilizamos transgénesis nuclear convencional y transformación de cloroplastos. En el segundo caso, nuestro objetivo es integrar el transgen dentro del genoma poliploide semiautónomo del orgánulo fotosintético” afirma Cutolo. “En el caso de Chlamydomonas reinhardtii, el cloroplasto representa el compartimento celular más grande y, dado que está hecho de varias copias de un cromosoma circular, conduce a la acumulación de niveles más altos de proteínas recombinantes en comparación con la transgénesis en el núcleo”.
Ambos métodos cuentan con ventajas y desventajas, por un lado, el cloroplasto no solo permite mayor acumulación del antígeno necesario para una vacuna por su gran tamaño en las microalgas, sino que también facilita una integración más estable del transgen, evitando los problemas de integración al azar más comunes cuando se modifica genéticamente el núcleo. Pero por otro lado, el núcleo de la célula cuenta con una maquinaria que permite modificaciones posteriores (como glicosilación) de la nueva proteína (o antígeno), dándole funcionalidad para generar inmunización adecuada.
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“Es de destacar que en este proyecto empleamos métodos de selección que no se basan en genes de resistencia a antibióticos” menciona Cutolo respecto a un supuesto riesgo muy citado por críticos a esta tecnología. “Pero explotamos la flexibilidad metabólica de este organismo y una nueva estrategia de marcador seleccionable basada en el metabolismo selectivo de un nutriente esencial, a fin de producir algas que cumplan con las preocupaciones relacionadas con la salud y el medio ambiente”.
Una de las grandes ventajas de las algas es que crecen y se multiplican bastante rápido, y según Cutolo, evitando la contaminación, se puede lograr acumular hasta 1 mg del antígeno recombinante por cada gramo de biomasa de algas secas. Posteriormente, las algas deshidratadas/liofilizadas, se pueden encapsular para generar una “vacuna oral”.
“La pared celular de las algas secas debería proteger a los antígenos del ambiente gástrico ácido y rico en proteasas, permitiendo que la molécula bioactiva llegue al sistema inmune intestinal donde puede estimular las respuestas celulares y humorales, esperando así llevar a una inmunización efectiva” afirma Cutolo.
¿Cuando podrían tener una vacuna oral lista para probar en animales? Muy pronto según Cutolo. “Seis semanas es una fecha probable”.
Tecnología israelí: Desde animales y peces a COVID-19
Si ahora nos dirigimos hacia el oeste por el mar mediterráneo, nos encontramos con TransAlgae, una empresa de biotecnología con base en Rehovot, Israel, la cual se ha consolidado en poco más de una década como una plataforma de desarrollo de vacunas orales para animales, el sector acuícola y control de plagas agrícolas.
Hace unos meses la empresa se embarcó en aplicar esta tecnología en una vacuna dirigida al sector de la salud humana, y nada menos que en COVID-19. Para lograrlo, han abierto una ronda de inversión de 5 millones de dólares con el objetivo de generar una vacuna oral basada en algas genéticamente modificadas, según relata Eyal Ronen, vicepresidente de desarrollo comercial de TransAlgae.
Al ser consultados por algunos detalles técnicos, reglamentarios y de obstáculos para esta nueva vacuna oral, la compañía prefirió no responder o solo proporcionó respuestas breves a las preguntas, citando la necesidad de confidencialidad de la compañia.
Sin embargo, en una publicación divulgativa de Daniel Gressel, presidente de la compañía, se puede dilucidar una estrategia parecida a la de los científicos italianos. Por ejemplo, también estarían usando la secuencia de ADN de la proteína espiga de SARS-COV2 como transgen a insertar en algas, y según varias patentes previas de la empresa para vacunas en animales y peces, es muy probable que estén usando la misma especie modelo C. reinhardtii para la modificación genética y acumular grandes cantidades del antígeno – algas que de igual manera, serían liofilizadas para generar una cápsula oral.
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Ronen afirma que las algas están genéticamente modificadas para crecer en un fermentador. “Esto aumenta la tasa de producción 30 veces más que las algas silvestres. Y podemos controlar todas las entradas de forma precisa para garantizar el proceso” agrega.
Con esta alta velocidad calculan que comenzarán ensayos en animales en unos pocos meses, y además, buscarían colaboraciones y asociaciones con empresas de Estados Unidos para avanzar en el desarrollo de la vacuna.
Ventajas y desafíos de vacunas orales basadas en algas
Las microalgas cuentan con todas las ventajas de producir vacunas en plantas terrestres, con algunos beneficios adicionales. “Las microalgas prosperan en medios de cultivo muy simples, no requieren infraestructura compleja y su cultivo no compite con los cultivos por tierras cultivables” afirma Cutolo. Además, agrega un detalle importante a destacar y es que las microalgas son mucho más eficientes que las plantas superiores para convertir la luz solar en biomasa.
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Al igual que en plantas, el antígeno recombinante obtenido desde la biomasa de algas recolectadas no requiere purificación o extracción, ya que esta puede secarse y la pared celular de las algas protege los antígenos con una vida útil prolongada de hasta 20 meses (sin perder eficacia) a temperatura ambiente. Esto último es muy práctico para países en desarrollo, que suelen tener problemas para tener vacunas convencionales con cadena de frío en almacenamiento y transporte.
Quizás la ventaja principal es la rápida velocidad de multiplicación de las microalgas, lo cual facilita el trabajo de los investigadores. “Desde una perspectiva técnica pura, las algas son preferibles ya que el desarrollo de una nueva cepa de algas requiere aproximadamente un mes, mientras que el establecimiento de una planta transgénica puede durar hasta un año” afirma Cutolo.
Desde TransAlgae, Gressel también enfatiza en la velocidad como una clara ventaja, en una de las pocas respuestas que me dió por e-mail. “Las algas se duplican cada día…si empiezas con 1 gramo, en 32 días tienes 8.8 mil millones de gramos, que en el caso de coronavirus es suficiente para el mundo” agrega.
Sin embargo, las dificultades no son ajenas a este enfoque. Según Cutolo, un inconveniente importante en el cultivo de algas reside en el riesgo omnipresente de contaminación del cultivo por parásitos competidores, lo cual ocurre tanto en fotobiorreactores cerrados como en estanques abiertos de alta velocidad.
“Este problema hace que la biotecnología de algas sea ineficiente en cuanto a costos debido a los altos costos de gestión para evitarlo” declara Cutolo. “Sin embargo, estamos empleando una tecnología sostenible recientemente introducida que permite el manejo del monocultivo de algas en condiciones no estériles, lo que hace que este sistema de producción sea muy atractivo”.
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Respecto a riesgos de contención biológica, estos no serían un problema en la experiencia de Cutolo. “La mayoría de las cepas de algas de origen natural (tipo silvestre) utilizadas para ingeniería genética carecen de genes esenciales necesarios para la asimilación de nitrógeno (nitrato reductasa), lo cual los hace estrictamente dependientes de la fuente de nitrógeno proporcionada en el medio de cultivo, haciendo imposible su supervivencia en la naturaleza” afirma.
“No hay problema de contención porque las algas carecen de nitrato reductasa y, por lo tanto, mueren fuera del fotobiorreactor”.
¿Que se viene a futuro?
La llegada al mercado de vacunas orales basadas en microalgas enfrentaría obstáculos regulatorios similares a los discutidos en el reportaje sobre el tomate-vacuna. Al menos, Transalgae no ha tenido problemas previos al trabajar con vacunas orales mediante microalgas transgénicas para el sector acuícola, al ser el producto final un polvo de algas “desactivado” (material muerto). Debido a esto, el material se considera derivado de OGMs, no un OGM como tal, distinción que le ha permitido a la compañía operar con éxito en mercados con estrictas regulaciones para OGMs.
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Mientras tanto, ni en Verona ni en Revohot se duermen en los laureles; en TransAlgae planifican que, de tener éxito con la vacuna comestible para COVID-19, el siguiente paso será producir una vacuna oral contra la influenza mediante el cultivo rápido de antígenos contra una gran variedad de cepas del patógeno; mientras que los científicos italianos trabajan en paralelo con edición genética, herramienta que permitiría introducir modificaciones adicionales al genoma nuclear de algas, lo cual podría mejorar la productividad de su biomasa.
“Dada la urgencia dictada por la situación actual, pero también debido a la alta posibilidad de que pandemias similares afecten a nuestra sociedad global en el futuro, es de suma importancia desarrollar tecnologías que permitan una producción rápida de vacunas y productos biofarmacéuticos que sean seguros y fácil de suministrar, especialmente en aquellas áreas que tienen acceso limitado a infraestructura médica” afirma el Dr. Cutolo a modo de reflexión final.
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Sin duda, la versátil manipulación genética, rapidez de reproducción y pocos recursos necesarios para el crecimiento de algas, las convierten en una alternativa y candidato viable y sustentable para soluciones médicas y ambientales urgentes.
Referencias recomendadas
- Specht, E. A., & Mayfield, S. P. (2014). Algae-based oral recombinant vaccines. Frontiers in microbiology, 5, 60. https://doi.org/10.3389/fmicb.2014.00060
- Benedetti, M., Vecchi, V., Barera, S., & Dall’Osto, L. (2018). Biomass from microalgae: the potential of domestication towards sustainable biofactories. Microbial Cell Factories, 17(1), 173. doi:10.1186/s12934-018-1019-3
- Yefremova, Y., & Purton, S. (2018). The algal chloroplast as a synthetic biology platform for production of therapeutic proteins. Microbiology, 164. doi:10.1099/mic.0.000599
- Gunasekaran, B., & Gothandam, K.M.. (2020). A review on edible vaccines and their prospects. Brazilian Journal of Medical and Biological Research, 53(2), e8749
- Kurup, V. M., & Thomas, J. (2020). Edible Vaccines: Promises and Challenges. Molecular biotechnology, 62(2), 79–90.