En 2018, el Premio Nobel de Química fue compartido por tres científicos cuyos trabajos transformaron la biotecnología moderna. Frances H. Arnold fue galardonada con la mitad del premio «por la evolución dirigida de enzimas», mientras que la otra mitad fue compartida entre George P. Smith y Gregory P. Winter «por la presentación de fagos de péptidos y anticuerpos». Sus descubrimientos, basados en principios evolutivos aplicados a escala molecular, abrieron nuevas rutas para el desarrollo de fármacos, combustibles renovables, catalizadores industriales y tratamientos contra enfermedades autoinmunes y el cáncer.
La evolución dirigida de enzimas
Frances H. Arnold, ingeniera química y bioquímica estadounidense, fue la primera mujer en recibir el Nobel de Química en solitario. Su contribución consistió en desarrollar un método para hacer evolucionar proteínas en el laboratorio —específicamente, enzimas— con fines prácticos.
Las enzimas son proteínas que catalizan reacciones químicas en los seres vivos. Tienen un papel fundamental en todos los procesos biológicos, pero sus aplicaciones industriales solían verse limitadas por su sensibilidad o su falta de eficiencia en condiciones no naturales, como temperaturas altas, presencia de disolventes orgánicos o sustratos artificiales.
Arnold introdujo una metodología inspirada en la evolución natural. El proceso, llamado evolución dirigida, consiste en introducir mutaciones aleatorias en el ADN que codifica una enzima, generando miles de variantes. Luego, se seleccionan aquellas que muestran propiedades mejoradas —mayor actividad, estabilidad, especificidad, etc.— y se repite el ciclo con esas versiones «ganadoras». Este procedimiento mimetiza la selección natural, pero de forma acelerada y con un propósito definido.
Gracias a este método, se han desarrollado enzimas con aplicaciones en la fabricación de medicamentos, biocombustibles, detergentes biodegradables y productos químicos industriales. El gran mérito de Arnold fue demostrar que no era necesario diseñar enzimas desde cero —lo que es increíblemente complejo— sino que podía permitirse que “evolucionaran” de forma guiada.
Despliegue de fagos
La otra mitad del premio reconoció una tecnología que ha revolucionado la medicina molecular: el despliegue de fagos (o presentación en fagos). Fue desarrollada por el biólogo estadounidense George P. Smith en 1985 y perfeccionada para la selección de anticuerpos terapéuticos por el bioquímico británico Gregory P. Winter en los años 90.
Los fagos son virus que infectan a bacterias. Smith ideó un modo de insertar secuencias de ADN que codifican péptidos o proteínas en el genoma de un fago, de tal manera que la proteína producida se mostrara en la superficie del virus. Así, se pueden generar grandes bibliotecas de fagos que muestran miles de variantes distintas de una proteína. Cada fago lleva la información genética del péptido que expone, lo que permite un vínculo directo entre estructura y función.
Este sistema permite seleccionar aquellas proteínas que se unen con más afinidad a una molécula objetivo. En medicina, este principio se aplicó a los anticuerpos, proteínas del sistema inmune que reconocen patógenos. Winter adaptó el despliegue de fagos para seleccionar anticuerpos humanos con gran especificidad frente a blancos terapéuticos. En lugar de usar anticuerpos de animales, que pueden causar reacciones inmunológicas, se pueden desarrollar anticuerpos humanos mediante selección in vitro, sin necesidad de inmunizar pacientes.
Gracias a este enfoque, se ha desarrollado una nueva clase de fármacos llamados anticuerpos monoclonales humanizados, empleados en tratamientos contra el cáncer (como el trastuzumab para el cáncer de mama HER2+), enfermedades autoinmunes (como la artritis reumatoide) y enfermedades infecciosas. La tecnología también ha sido clave para el desarrollo rápido de anticuerpos frente a nuevos virus, como el SARS-CoV-2.
¿Por qué merecieron el Nobel?
El hilo común que une ambos logros es el uso de principios evolutivos para diseñar herramientas biológicas. Donde antes la bioquímica se enfrentaba a la complejidad de la naturaleza con intentos de ingeniería racional (planear cambios específicos con base en el conocimiento de estructuras y mecanismos), estos investigadores propusieron dejar que la selección natural hiciera el trabajo pesado, aunque en un entorno controlado y dirigido por humanos.
La evolución dirigida y el despliegue de fagos convirtieron la biotecnología en una disciplina mucho más poderosa, con la capacidad de generar proteínas optimizadas para tareas concretas. Los avances no solo se limitan al laboratorio, sino que tienen efectos profundos en la industria farmacéutica, la producción sostenible y la medicina personalizada.
Semblanza de los galardonados
Frances H. Arnold, nacida en 1956 en Pittsburgh, estudió ingeniería mecánica y aeroespacial en la Universidad de Princeton, y obtuvo su doctorado en ingeniería química por la Universidad de California, Berkeley. Desde 1986 es profesora en Caltech. Ha defendido con pasión la intersección entre biología y tecnología, y ha abogado por una ciencia abierta a la diversidad de género y pensamiento. Además del Nobel, ha recibido numerosos premios internacionales y es miembro de múltiples academias científicas.
George P. Smith, nacido en 1941 en Norwalk, Connecticut, es profesor emérito de biología en la Universidad de Misuri. Formado en biología molecular, desarrolló el despliegue de fagos casi por accidente, como parte de su curiosidad por los mecanismos de interacción proteína-ADN. Es conocido por su actitud humilde y su activismo en temas sociales y ambientales.
Gregory P. Winter, nacido en 1951 en Leicester, Reino Unido, se formó como bioquímico en Cambridge. Su trabajo ha estado siempre enfocado en la ingeniería de proteínas, y fue pionero en la creación de anticuerpos monoclonales humanizados. Es también fundador de varias empresas biotecnológicas que han trasladado la ciencia del laboratorio al mercado.
