Los corales producen compuestos químicos únicos que no se ven en el mundo terrestre
Algunos corales producen sustancias químicas llamadas diterpenoides que han demostrado ser prometedoras en la lucha contra el cáncer y la reducción de la inflamación, pero los investigadores no han podido estudiar estas sustancias en profundidad.
El problema es que los corales, que crecen lentamente y son poco comunes, producen estas sustancias químicas en cantidades minúsculas, lo que hace que resulte destructivo para el medio ambiente y poco práctico suministrar suficientes compuestos para probar o producir nuevos medicamentos.
Ahora, un nuevo estudio dirigido por científicos del Instituto Scripps de Oceanografía de la Universidad de California en San Diego podría finalmente desvelar el potencial químico de estos corales. El estudio descubrió un conjunto de cinco genes responsables de la producción de diterpenoides en múltiples especies de un tipo de coral llamado octocoral.
El descubrimiento de este grupo genético permite a los bioquímicos producir los compuestos octocorales en el laboratorio e investigar su potencial como medicamentos u otros productos.
"Los corales producen compuestos químicos únicos que no se ven en el mundo terrestre, por lo que hay mucho entusiasmo por estudiar su potencial biomédico", dijo Bradley Moore, autor principal del estudio y químico marino con nombramientos conjuntos en Scripps Oceanography, donde es director del Centro de Biotecnología y Biomedicina Marina, y en la Facultad de Ciencias Farmacéuticas Skaggs de la UC San Diego.
"Desafortunadamente, es sumamente difícil obtener suficiente suministro directamente de la naturaleza. Con el mapa genético para producir estas sustancias químicas ya disponible, se abre la puerta para resolver el problema del suministro y descubrir nuevos compuestos que podrían beneficiar a la humanidad".
Imagen: Los corales blandos, como el pensamiento marino que se muestra aquí, contienen sustancias químicas con propiedades anticancerígenas y antiinflamatorias demostradas. Un nuevo estudio del Laboratorio Moore está ayudando a descubrir el potencial químico de estos corales. Crédito de la imagen: Erik Jepsen.
La exploración de los océanos en busca de utilidad biomédica entre la gran cantidad de sustancias químicas producidas por la vida marina es el objetivo de la investigación de Moore. Desde hace casi un siglo se lleva a cabo una búsqueda similar en la tierra (aproximadamente la mitad de todos los medicamentos provienen de la naturaleza terrestre), pero el océano aún no ha sido estudiado tan exhaustivamente a pesar de cubrir el 70% de la superficie de la Tierra.
El nombramiento conjunto de Moore en Scripps Oceanography y Skaggs School of Pharmacy ilustra la capacidad única de la UC San Diego para explorar el potencial del océano combinando la ciencia marina de vanguardia con la investigación biomédica de primer nivel.
Los octocorales son un grupo antiguo de animales que incluye los corales blandos y las plumas marinas. A diferencia de sus primos que forman arrecifes, los octocorales tienen un cuerpo blando y carecen de la defensa física de un esqueleto duro. Para evitar ser comidos, los científicos creen que los octocorales utilizan defensas químicas que incluyen diterpenoides, que también son ampliamente utilizados por las plantas para protegerse de los herbívoros y para una variedad de otras funciones biológicas.
Los diterpenoides vegetales han sido la base de numerosos medicamentos importantes, entre los que destaca el fármaco anticancerígeno taxol, valorado en mil millones de dólares y que proviene del tejo del Pacífico, y que se ha administrado a millones de pacientes para retardar el crecimiento de tumores.
Los diterpenoides octocorales también han demostrado tener propiedades anticancerígenas y antiinflamatorias, pero tienen estructuras químicas nunca vistas en la tierra, lo que los convierte en emocionantes perspectivas.
Imagen: Un pensamiento marino (Renilla koelliikeri) descansa sobre un lecho de zostera marina en La Jolla Shores. Crédito: Charlotte Seid
"Examinar todo el genoma de un organismo para encontrar todos los genes implicados en la producción de un compuesto en particular es una tarea increíblemente abrumadora, especialmente cuando quizás ni siquiera sepamos qué genes estamos buscando", afirmó Natalie Grayson, candidata a doctorado en Scripps y primera autora del estudio.
Es importante encontrar todos los genes que un organismo utiliza para codificar la producción de una sustancia química determinada porque permite a los investigadores insertarlos en microbios como las levaduras, que actúan como fábricas químicas vivas para producir mayores cantidades de la sustancia en el laboratorio. Si esos genes se agrupan, encontrarlos es mucho más fácil.
En 2022, los autores del estudio hicieron un sorprendente descubrimiento: una especie de octocoral conocida comúnmente como pensamiento marino (Renilla muelleri) producía diterpenoides y parecía hacerlo con genes ubicados cerca uno del otro en su genoma.
En el estudio actual, los investigadores se propusieron demostrar que los octocorales agrupan los genes relacionados con la producción de diterpenoides. Con la ayuda de equipo automatizado donado a Scripps Oceanography por la empresa de biotecnología Illumina, el equipo analizó octocorales de todo el mundo que representan cinco familias, incluida una especie de pensamiento marino recolectada cerca del muelle Scripps, que producen un diterpenoide similar.
El equipo comenzó secuenciando y ensamblando los genomas de cinco especies de octocorales. Al explorar estos cinco genomas, así como los de otras tres especies disponibles públicamente, los investigadores pudieron identificar un conjunto común de cinco genes agrupados que parecían estar involucrados en la producción de diterpenoides.
Para comprobar si este grupo de genes estaba realmente relacionado con la fabricación de los compuestos, los investigadores insertaron los genes en levaduras y bacterias y luego analizaron los químicos que producían los microbios. Los resultados confirmaron que los genes agrupados eran de hecho la línea de ensamblaje genético para estos químicos únicos.
"Encontrar estos grupos de genes nos proporciona, como científicos, todo el conocimiento necesario para sintetizar estas sustancias químicas y facilita el descubrimiento de nuevos fármacos o productos", afirmó Moore. "Esto puede finalmente resolver el problema de suministro que ha frenado la exploración de la bioquímica de los corales".
Imagen: Natalie Grayson e Immo Burkhardt se preparan para la congelación súbita del octocoral con nitrógeno líquido. De ahí, extraerán ADN mediante secuenciación. Crédito: Erik Jepsen/UC San Diego.
A continuación, el laboratorio de Moore planea insertar los grupos de genes que descubrieron en estos octocorales en microbios para producir mayores cantidades de diterpenoides para estudios posteriores. Esta capacidad de sintetizar compuestos en el laboratorio también permite a los investigadores que exploran la bioquímica marina trabajar con más cuidado en el planeta al requerir menos muestras de las profundidades.
Las interesantes posibilidades de desarrollar nuevos medicamentos o productos útiles basados en las sustancias químicas únicas producidas por la vida marina subrayan la importancia de la conservación de los océanos, afirmó Grayson.
"La naturaleza es la mejor química", dijo Grayson, quien conecta con el océano a través del surf y el buceo, además de su investigación. "Nuestra creatividad es limitada, y necesitamos un océano sano si queremos seguir descubriendo esta química innovadora que ha evolucionado durante millones y miles de millones de años".
Moore también enfatizó la importancia del apoyo del gobierno que hizo posible esta investigación y la ciencia básica de manera más amplia.
"Este es un ejemplo perfecto de cómo los NIH financian la ciencia básica con el potencial de beneficiar a la humanidad", afirmó Moore. "Si queremos los mejores medicamentos para nuestra salud, necesitamos el máximo de oportunidades. Comprender los trucos que animales antiguos como los octocorales usan para sobrevivir y aplicarlos a la salud humana podría ser crucial, pero traducirlos podría llevar de cinco a diez años. Es demasiado arriesgado para una empresa privada invertir en ello. El apoyo federal es esencial para este tipo de trabajo que no tiene una rápida recompensa pero también tiene un enorme potencial de crecimiento".
La investigación se ha publicado en Nature Chemical Biology: A widespread metabolic gene cluster family in metazoans
