Esta lechuga produce una hormona estimulante de los huesos que podría ayudar a evitar la pérdida ósea en el espacio y en la Tierra. Crédito:Kevin Yates
La NASA se está preparando para enviar humanos a Marte en algún momento de la década de 2030. La misión de 3 años expondrá a los astronautas a un largo período de microgravedad, lo que les hará perder masa ósea. Pero ahora, los científicos informan que la lechuga transgénica produce una hormona estimulante de los huesos. Algún día, los astronautas podrían cultivar lechuga en el espacio y ayudar a protegerse contra la pérdida ósea, simplemente comiendo un plato grande de ensalada. Además, la lechuga podría ayudar a evitar la osteoporosis en áreas de recursos limitados aquí en la Tierra, dicen los investigadores.
Los investigadores presentarán sus resultados hoy en la reunión de primavera de la American Chemical Society (ACS). ACS Spring 2022 es una reunión híbrida que se lleva a cabo virtualmente y en persona del 20 al 24 de marzo, con acceso a pedido disponible del 21 de marzo al 8 de abril. La reunión presenta más de 12,000 presentaciones sobre una amplia gama de temas científicos.
Estudios previos de astronautas en misiones espaciales extendidas han demostrado que pierden, en promedio, más del 1% de la masa ósea por mes que pasan en el espacio, una condición conocida como osteopenia. “En este momento, los astronautas en la Estación Espacial Internacional tienen ciertos regímenes de ejercicio para tratar de mantener la masa ósea”, dice Kevin Yates, un estudiante graduado que presenta el trabajo en la reunión. “Pero normalmente no están en la Estación Espacial Internacional por más de 6 meses”. Por el contrario, se tarda unos 10 meses en llegar a Marte, y los astronautas permanecerían alrededor de un año para estudiar el planeta antes de emprender el viaje de regreso a la Tierra.
La misión de 3 años podría dejar a los astronautas vulnerables a la osteopenia y, más tarde, a la osteoporosis. Un medicamento que contiene un fragmento peptídico de la hormona paratiroidea humana (PTH) estimula la formación ósea y podría ayudar a restaurar la masa ósea en microgravedad, pero requiere inyecciones diarias. Transportar grandes cantidades de medicamentos y jeringas y administrarlos durante las misiones espaciales no es práctico. Así que Yates; Somen Nandi, doctorado; Karen McDonald, Doctora en Filosofía; y sus colegas querían encontrar una manera para que los astronautas lo produjeran ellos mismos, mientras disfrutaban de algunas verduras sabrosas, que son muy escasas en las dietas de los astronautas, en su mayoría enlatadas y liofilizadas.
“Los astronautas pueden transportar semillas transgénicas, que son muy pequeñas (puedes tener unas miles de semillas en un vial del tamaño de tu pulgar) y cultivarlas como una lechuga normal”, dice Nandi. "Podrían usar las plantas para sintetizar productos farmacéuticos, como PTH, según sea necesario y luego comerse las plantas".
En la Estación Espacial Internacional, los astronautas ya han demostrado que pueden cultivar lechuga regular en este entorno de recursos limitados. Yates, Nandi y McDonald, que están en la Universidad de California, Davis, querían desarrollar una lechuga transgénica que expresara el péptido PTH en una forma que pudiera tomarse por vía oral, en lugar de una inyección. La lechuga especial también podría ayudar a tratar la osteopenia en regiones de la Tierra que carecen de acceso a los medicamentos tradicionales. Para aumentar la estabilidad y la biodisponibilidad de la PTH en el cuerpo, unieron una pieza de otra proteína, el fragmento del dominio cristalizable (Fc) de un anticuerpo humano, a la secuencia de la PTH. Estudios previos han demostrado que el fragmento Fc aumenta el tiempo que el péptido unido circula en la sangre, haciéndolo más efectivo.
Los investigadores introdujeron un gen que codifica PTH-Fc en lechuga al infectar células vegetales con Agrobacterium tumefaciens — una especie de bacteria utilizada en el laboratorio para transferir genes a las plantas. Examinaron las plantas de lechuga transgénicas y su progenie para la producción de PTH-Fc. Los resultados preliminares indican que, en promedio, las plantas expresan entre 10 y 12 miligramos de la hormona peptídica modificada por kilogramo de lechuga fresca. Según Yates, esto significa que los astronautas tendrían que comer unos 380 gramos, o unas 8 tazas, de lechuga al día para obtener una dosis suficiente de la hormona, suponiendo una biodisponibilidad del 10 %, que él reconoce es una "ensalada bastante grande".
“Algo que estamos haciendo ahora es examinar todas estas líneas de lechugas transgénicas para encontrar la que tenga la expresión más alta de PTH-Fc”, dice McDonald. “Hasta ahora, solo hemos analizado algunos de ellos y observamos que el promedio fue de 10-12 mg/kg, pero creemos que podríamos aumentarlo aún más. Cuanto más podamos aumentar la expresión, menor será la cantidad de lechuga que debe consumirse”. El equipo también quiere probar qué tan bien crece la lechuga transgénica en la Estación Espacial Internacional y si produce la misma cantidad de PTH-Fc que en la Tierra.
Aunque los investigadores aún no han probado la lechuga porque no se ha establecido su seguridad, anticipan que tendrá un sabor muy similar a su contraparte regular, como la mayoría de las otras plantas transgénicas. Sin embargo, antes de que la lechuga transgénica pueda adornar los platos de los astronautas, los investigadores deben optimizar los niveles de expresión de PTH-Fc, y luego evaluarán la capacidad de la lechuga para prevenir la pérdida ósea de manera segura en modelos animales y ensayos clínicos en humanos. No obstante, Yates predice:"Me sorprendería mucho si, para cuando enviemos astronautas a Marte, las plantas no se estén utilizando para producir productos farmacéuticos y otros compuestos beneficiosos".
Los investigadores reconocen el apoyo y la financiación de la NASA a través del Centro para la Utilización de la Ingeniería Biológica en el Espacio (CUBES).
Título
Desarrollo de una planta terapéutica hecha en vuelo para tratar la osteopenia por microgravedad
Resumen
Las misiones espaciales extendidas en un entorno de microgravedad alteran la fisiología normal del cuerpo humano. Un problema crítico en los vuelos espaciales es la pérdida de densidad mineral ósea. En el proceso de homeostasis ósea, las células especializadas facilitan la remodelación ósea junto con la reabsorción y formación ósea. La carga mecánica reducida en microgravedad hace que la reabsorción supere la formación, lo que da como resultado la pérdida de masa ósea. Los medicamentos como la hormona paratiroidea (PTH) [aminoácidos 1-34], un fragmento peptídico de la PTH humana natural, estimulan la formación ósea y pueden restaurar la masa ósea en microgravedad. Sin embargo, esto requiere una inyección subcutánea diaria durante varios meses, y en un entorno de recursos limitados, esto no es práctico. Una alternativa al transporte de un medicamento inyectable es desarrollar la capacidad para producirlo durante la misión, lo que proponemos hacer en plantas transgénicas.
Estamos produciendo lechugas transgénicas que expresan una proteína de fusión que consta de PTH [aminoácidos 1-34] unida a un fragmento de dominio cristalizable (Fc) de IgG1 humana a través de un conector flexible. El componente Fc y el secuestro de la PTH-Fc dentro del retículo endoplásmico de la planta pretende aumentar la biodisponibilidad a través de la administración oral. Construimos un vector binario para la expresión de esta proteína PTH-Fc y lo usamos para producir constitutivamente PTH-Fc en dos variedades de lechuga transgénica a través de la transformación mediada por Agrobacterium tumefaciens de lechuga de tipo salvaje. Hemos generado con éxito plantas transgénicas (T) y examinado las generaciones T1 y T2 utilizando un marcador seleccionable y PCR. Un protocolo de extracción junto con la transferencia Western ha permitido la detección de PTH-Fc en extractos de plantas dirigiéndose a las regiones PTH o Fc de la proteína de fusión. Se está desarrollando un protocolo ELISA optimizado para cuantificar los niveles de expresión de PTH-Fc. A partir de los resultados preliminares, se estima que el nivel de expresión es del orden de 10-12 mg de PTH-Fc por kilogramo de peso fresco de biomasa.
