Biorreactores, hongos y la segunda guerra mundial: la revolución de la penicilina

Mauricio A. Trujillo Roldán y Norma A. Valdez-Cruz

La historia de la producción de la penicilina durante la Segunda Guerra Mundial es tan increíble como la misma historia de su descubrimiento.

La historia del descubrimiento de la penicilina se ha contado innumerables veces. En 1928, el médico y bacteriólogo escocés Alexander Fleming observó algo inusual en una de sus placas de cultivo: un hongo contaminante había inhibido el crecimiento de bacterias patógenas (Figura 1).

Aquella combinación de azar y conocimiento previo de las batallas microscópicas entre microorganismos lo llevó a identificar la sustancia responsable y a nombrarla en honor al organismo productor: Penicillium notatum. En 1929 publicó sus hallazgos, describiendo la actividad antibacteriana de sus cultivos [1]. Años más tarde, en 1945, por ese descubrimiento, este científico sería galardonado con el Premio Nobel, junto con otros dos grandes protagonistas en la misma área del conocimiento (Figura 2).

La escena de un laboratorio descuidado, las placas olvidadas y el moho en competencia con las bacterias ya forman parte del imaginario científico del siglo XX [2,3]. Sin embargo, esa versión, tan atractiva como simplista, deja fuera una parte crucial de la historia. La penicilina no transformó la medicina por haber sido descubierta, sino por haber sido producida a gran escala [4]. Convertir aquella observación de laboratorio en miles de dosis listas para acompañar a los soldados aliados hacia el final de la Segunda Guerra Mundial supuso uno de los primeros desafíos biofarmacéuticos de la humanidad [5].

Se ha dicho pocas veces que el propio Alexander Fleming dudaba de que la penicilina pudiera convertirse en una terapia clínica viable. Esto, sumado a los intentos de colegas como el Dr. Harold Raistrick de la Universidad de Londres, quienes en 1934 trataron de purificarla y declararon que la penicilina era una molécula tan frágil que se degradaba ante cualquier intento de purificación. Durante un tiempo, pareció destinada a quedar como una curiosidad experimental más. La historia de cómo pasó de ser una promesa incierta a un producto industrial estratégico es, quizá, tan fascinante como el accidente que la hizo visible por primera vez.

Diez años después del artículo científico y bajo el asedio alemán, un grupo científico de la Universidad de Oxford, en Inglaterra, vislumbró que con el producto del hongo Penicillium sí se podrían salvar vidas. Los doctores Howard Florey y Ernst Chain, quienes compartieron el premio Nobel con el Dr. Fleming, en conjunto con otros colegas de la Escuela de Patología Sir William Dunn lograron trabajar con la misma cepa que años antes había donado Fleming al Dr. George Dreyer de la Universidad de Oxford [6]. El reto más importante de estos científicos (liderados por el Dr. Florey) fue cómo obtener grandes cantidades de penicilina para ensayos en animales y, después, en humanos.

Hasta ese momento, la tecnología indicaba que el hongo debía crecer sobre una superficie gelatinosa de agar con nutrientes en una caja de Petri. A partir de ahí empezaron las mejoras y su “escalamiento”, como el uso de los mejores nutrientes compatibles con el hongo, y fueron colocadas en cientos de botellas cuadradas y planas, con cierto parecido a las de leche. Ante la necesidad de cuidar sus botellas, contrataron a un buen número de mujeres, a quienes se les conocía como “El ejército de las mujeres de la penicilina”, pues se encargaban de cuidar los cultivos de forma heroica. Con las primeras producciones de penicilina purificada, el grupo logró salvar a cuatro ratones infectados con una cepa virulenta de Streptococcus, mientras que cuatro ratones infectados, pero no tratados con penicilina, murieron. Esto fue publicado en 1939 en la prestigiosa revista de medicina Lancet.

El desafío de purificar la penicilina fue liderado por el bioquímico Norman Heatley, frecuentemente recordado como “la víctima del Nobel”, al no haber sido incluido en el Premio Nobel de Medicina de 1945 debido al límite máximo de tres galardonados por categoría. Heatley diseñó los primeros métodos eficientes para extraer y concentrar la penicilina a partir de cultivos de hongo. Uno de los mayores obstáculos fue superar la aparente inestabilidad de la molécula. La penicilina se degradaba fácilmente en agua ya que una estructura química específica, su anillo β-lactámico, se hidroliza ante variaciones moderadas de pH y temperatura (Figura 3). Sin embargo, este bioquímico tuvo la paciencia para controlar cuidadosamente las condiciones químicas y obtener la molécula purificada.

Casi un año después de producir múltiples lotes y purificar la penicilina a partir de cultivos muy diluidos, se decidió administrarla a un policía de Oxfordshire (Albert Alexander), quien tenía una infección bacteriana por un corte con un rosal, aunque versiones actuales señalan que más bien eran heridas de un bombardeo en plena Segunda Guerra Mundial [7]. En un inicio, el policía comenzó a recuperarse; sin embargo, como las cantidades de penicilina eran muy limitadas, murió aún con los intentos de producir más, incluso a partir de la propia orina del policía. Ante este suceso y acompañado por la invasión nazi, y el alto número de bajas de soldados ingleses en el campo de batalla por infecciones de heridas menores, al grupo de investigación le urgió un proceso de producción más robusto y con altas productividades.

Así, a mediados de 1941, el grupo de Oxford unió esfuerzos de colaboración con el Northern Regional Research Laboratory (NRRL) del Departamento de Agricultura de Estados Unidos de América y con cinco compañías farmacéuticas: Abbott Laboratories, Lederle Laboratories (ahora Pfizer Inc.), Merck & Co. Inc., Chas. Pfizer & Co. Inc. (ahora Pfizer Inc.) y E.R. Squibb & Sons (ahora Bristol-Myers Squibb Company). Varios científicos viajaron desde Oxford a Nueva York, entre ellos Heatley y Florey, para explicar los primeros pasos en la producción y purificación de la penicilina.

A inicios de los años 1940 surgieron ideas revolucionarias sobre la producción de metabolitos por microorganismos. La primera idea fue buscar nuevas cepas de mayor productividad (Figura 2). Entre muchos aislados, el de mayor producción, 200 veces más que la cepa de Fleming, fue uno encontrado en un melón en pudrición por la Dra. Mary Hunt. Con amor, los investigadores la llamaron la “cepa melón”, y con el mismo amor la irradiaron, primero con rayos X y luego con radiación ultravioleta, mejorando cada vez su productividad, siendo Elizabeth McCoy, la que identificó la cepa mutante más prometedora. Los investigadores también diseñaron medios de cultivo, llenos de nutrientes, cada vez más económicos, con los que lograron reducir los costos de los procesos y eliminar el componente de gelificación del medio de cultivo, para permitir que la “cepa melón mutante” creciera sumergida en un cultivo líquido en botellas agitadas (Figura 2).

Posteriormente, rediseñaron una vieja planta productora de hielo y colocaron tanques de gran tamaño con diseños novedosos, cuyos líquidos eran agitados con grandes motores y que ahora conocemos como reactores de tanque agitado (Figura 4). Estos diseños para la producción de penicilina no surgieron de la nada; su diseño tenía antecedentes directos en procesos microbiológicos desarrollados décadas antes por la industria química. Durante la Primera Guerra Mundial, la fermentación industrial ya se empleaba para producir compuestos estratégicos mediante cultivos líquidos a gran escala. Un ejemplo emblemático fue el proceso desarrollado por Chaim Weizmann (quien llegó a ser el primer presidente de Israel), quien utilizó bacterias del género Clostridium para obtener acetona, un solvente indispensable en la fabricación de explosivos [8].

En los biorreactores se inyectaba aire a alta presión en la parte inferior, el cual era filtrado para no incluir contaminantes en el medio de cultivo (que normalmente están en el aire), y cumplir con los requerimientos respiratorios de los microorganismos. También se rediseñaron los sistemas de enfriamiento de los grandes tanques para eliminar el calor generado por el hongo durante su cultivo. Estos avances fueron liderados por el químico Jasper Kane y el ingeniero químico John McKeen, ambos empleados de Pfizer [9].

El equipo logró avances que rindieron frutos: para la primera semana de marzo de 1943, contaba con casi treinta mil litros de cultivo, lo que podría corresponder a unas 600 mil dosis y, para el 6 de junio de 1944 (la invasión de Normandía, o día D), los soldados aliados ya contaban con penicilina como parte de sus suministros de guerra, salvando cientos de vidas (Figura 5) [5]. En definitiva, los avances de ese grupo de científicos e ingenieros permitieron que hoy en día se puedan producir grandes cantidades de antibióticos, no solo de penicilina, que salvan vidas en todo el mundo.

Referencias

1. Fleming, A. (1929). On the antibacterial action of cultures of a Penicillium, with special reference to their use in the isolation of B. influenzæ. The British Journal of Experimental Pathology Jun;10(3):226–36. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2048009/. Artículo publicado por Alexander Fleming que describe cómo un hongo del género Penicillium libera una sustancia que inhibe el crecimiento de diversas bacterias patógenas. El estudio demuestra su actividad antibacteriana selectiva y propone su uso para facilitar el aislamiento bacteriano en cultivo, lo que constituye la primera descripción científica de la penicilina.
2. Mejía, O. (2019). El desorden de Fleming y otros ensayos patobiográficos. ISBN: 978-958-720-574-9. 249 p
3. Sadurní, J. (2024). Olvido afortunado: la penicilina, el descubrimiento más afortunado de Alexander Fleming. Actualizado a 11 de marzo de 2024. https://historia.nationalgeographic.com.es/a/alexander-fleming-padre-penicilina_14562
4. Gaynes, R. (2017). The Discovery of Penicillin—New Insights After More Than 75 Years of Clinical Use. Emerg Infect Dis. 2017 May;23(5):849–53. doi: 10.3201/eid2305.161556. El artículo describe cómo el descubrimiento de la penicilina evolucionó desde una observación accidental hasta su producción industrial durante la Segunda Guerra Mundial, gracias al trabajo del grupo de Oxford y la colaboración internacional. Igualmente comenta sobre los esfuerzos de producción en Europa y subraya el impacto transformador de la penicilina en la medicina moderna.
5. Criado, M. (2017). La penicilina mutante que desembarcó en Normandía. El País. https://elpais.com/elpais/2017/06/23/ciencia/1498212615385412.html?ssm=TWCC
6. Chain, E., Florey, H. W., Gardner, N. G., Heatley, N. G., Jennings, M. A., Orr-Ewing, J., & Abraham, E. P. (1940). Penicillin as a chemotherapeutic agent. The Lancet, 236(6104), 226–228. https://doi.org/10.1016/S0140-6736(01)08728-1. El artículo demuestra por primera vez que la penicilina purificada puede actuar como un agente quimioterapéutico eficaz in vivo, protegiendo a animales infectados por bacterias patógenas. El trabajo del equipo de Oxford confirmó su potencial terapéutico y estableció las bases experimentales para su posterior aplicación clínica y producción industrial.
7. Gutiérrez Alcalá, R. (2021, febrero 11). 80 años de la primera dosis de penicilina aplicada a un ser humano. Gaceta UNAM. https://www.gaceta.unam.mx/80-anos-de-la-primera-dosis-de-penicilina-aplicada-a-un-ser-humano/.
8. Sauer, M. (2016). Industrial production of acetone and butanol by fermentation—100 years later. FEMS Microbiology Letters, 363(13), fnw134. https://doi.org/10.1093/femsle/fnw134. El artículo revisa la fermentación acetona–butanol–etanol (ABE) como uno de los primeros procesos de fermentación industrial a gran escala del siglo XX, desarrollado a partir del proceso de Chaim Weizmann.
9. Flavell-While, C. (2017, December 1). Pfizer's penicillin pioneers: Jasper Kane and John McKeen. The Chemical Engineer, (824). https://www.thechemicalengineer.com/features/cewctw-pfizers-penicillin-pioneers-jasper-kane-and-john-mckeen. El artículo describe cómo Jasper Kane y John McKeen, en Pfizer, desarrollaron la fermentación en tanque profundo que permitió la producción industrial masiva de penicilina durante la Segunda Guerra Mundial, transformando su fabricación y sentando las bases de la biotecnología moderna.

Lectura recomendada

American Chemical Society. (1999). Descubrimiento y desarrollo de la penicilina. Programa International Historic Chemical Landmarks. https://www.acs.org/education/whatischemistry/landmarks/historia-quimica/descubrimiento-desarrollo-penicilina.html. El descubrimiento y desarrollo de la penicilina ha sido reconocido como un suceso clave de la Historia de la Química por la Sociedad Química Americana (American Chemical Society), al constituir uno de los primeros ejemplos de integración exitosa entre investigación básica, ingeniería química y producción industrial a gran escala.