Penicilina

La penicilina es una sustancia producida por mohos del género Penicillium que mata muchos tipos de bacterias al impedirles construir su pared celular. Alexander Fleming la observó en 1928, y un equipo de Oxford la convirtió, durante la Segunda Guerra Mundial, en el primer antibiótico procedente de un moho de uso médico general.

Qué es

La penicilina es un antibiótico, es decir, un medicamento que mata las bacterias o detiene su crecimiento. A diferencia de las sulfamidas sintéticas de los años treinta, surgidas de la investigación sobre colorantes, la produce un ser vivo. La fabrican ciertas cepas de Penicillium, un género que incluye los mohos verdiazules del pan duro y la fruta. Una vez purificada, la penicilina se convirtió en el primer antibiótico procedente de un moho que los médicos pudieron usar de forma general, y cambió el pronóstico de infecciones a menudo mortales, como la septicemia, la neumonía o las heridas infectadas. El moho de los alimentos, en cambio, no es un medicamento y puede ser perjudicial.

A la izquierda, la lámina muestra la famosa observación de Fleming: una placa de vidrio con colonias bacterianas en la que una espora de moho cayó por azar y formó una colonia, rodeada de un anillo claro donde las bacterias han muerto. A la derecha, el propio moho al microscopio. Sus esporas crecen en cadenas sobre pequeñas cabezas en forma de pincel, que dieron nombre al género, del latín penicillus, pincel pequeño.

Cómo funciona

La mayoría de las bacterias son células únicas envueltas en una pared resistente que les da forma frente a la presión del agua de su interior. Esa pared es una malla de cadenas de azúcares unidas por cortos puentes peptídicos. Mientras la célula crece y se divide, corta y reconstruye esa malla sin parar.

La penicilina bloquea las enzimas bacterianas que forman esos puentes. La célula sigue creciendo, pero su pared nueva es débil; el agua entra y la célula revienta. Las células humanas y animales no tienen una pared así, y por eso la penicilina puede matar bacterias respetando en gran medida las células del paciente. En el centro de la molécula hay un anillo tenso de cuatro átomos, el anillo betalactámico, que reacciona con esas enzimas y las deja fuera de combate.

La penicilina actúa sobre todo contra bacterias de pared gruesa y expuesta, como los estreptococos y los neumococos. La bacteria de la sífilis tiene una pared fina encerrada entre dos membranas, pero también es muy sensible a la penicilina. La penicilina no tiene ningún efecto sobre los virus, que carecen por completo de pared celular.

Las bacterias pueden volverse resistentes. Algunas fabrican una enzima, la penicilinasa, que corta el anillo betalactámico antes de que actúe. Cada uso de un antibiótico favorece a las bacterias que sobreviven, y la resistencia se extiende allí donde los antibióticos se usan sin cuidado. Fleming ya lo advirtió en su conferencia Nobel de 1945. Además, algunas personas son alérgicas a la penicilina, a veces de forma grave. Los antibióticos son medicamentos que solo deben usarse con receta médica.

Cómo se fabrica

Entre 1940 y 1945 cambiaron varias veces los métodos para cultivar el moho, extraer el medicamento del caldo y medirlo.

Norman Heatley diseñó recipientes de cerámica como estos para cultivar el moho en cantidad en Oxford.

Cultivo en superficie en Oxford. El equipo de Florey cultivaba la cepa de Fleming, Penicillium notatum, en forma de fieltro que flotaba sobre una capa poco profunda de caldo nutritivo. Norman Heatley empezó usando cualquier cosa con un fondo ancho y plano, como cuñas de hospital, latas de galletas o moldes de tarta, y después diseñó un recipiente rectangular de cerámica que podía apilarse tumbado durante la incubación. Una alfarería de Staffordshire, James Macintyre & Co., fabricó varios cientos, y los primeros se sembraron en la Navidad de 1940. Un pequeño equipo de mujeres jóvenes, apodadas las penicillin girls, sembraba las esporas, retiraba el caldo una vez que el moho en crecimiento había liberado en él la penicilina y mantenía los recipientes en marcha día y noche.

Extracción. El caldo contenía apenas una pizca de penicilina, y el medicamento se degradaba en pocas horas con el calor o en medio ácido. Heatley aprovechó que la penicilina es un ácido. Acidificada y mantenida en frío, pasa del caldo a un disolvente que no se mezcla con el agua, primero éter y luego acetato de amilo, menos inflamable. Si después se agita con agua ligeramente alcalina, vuelve al agua en forma de sal, en un volumen mucho menor y libre de buena parte de las impurezas. Con tubos de vidrio, frascos y bombas, Heatley construyó un aparato que hacía este trabajo de forma continua. La solución concentrada se liofilizaba luego hasta obtener un polvo marrón que se conservaba durante meses, aunque los primeros lotes eran sobre todo impurezas.

El ensayo de cilindros de Heatley: cuanto más potente es la muestra de un cilindro, más ancho es el anillo claro que lo rodea.

Medición. Mientras no se conoció su estructura, la penicilina solo podía medirse por su efecto sobre las bacterias. En el ensayo de cilindros en placa de Heatley, unos pequeños cilindros abiertos se colocan sobre una placa de agar sembrada con estafilococos y cada uno se llena con una muestra. La penicilina se difunde por el agar, y tras la incubación la anchura del anillo claro que rodea cada cilindro, comparada con la de un patrón, indica la potencia. El equipo de Oxford definió así su propia unidad y envió muestras a otros laboratorios. En 1944 y 1945, científicos británicos y estadounidenses acordaron una unidad internacional, equivalente a 0,6 microgramos de bencilpenicilina sódica pura y próxima a la unidad de Oxford, y prepararon muestras patrón.

La fermentación en tanques profundos convirtió la penicilina en un producto industrial en Estados Unidos.

Tanques profundos en Estados Unidos. En el Northern Regional Research Laboratory de Peoria, Andrew Moyer, que trabajaba con Heatley, multiplicó el rendimiento por diez aproximadamente a finales de 1941 añadiendo al caldo licor de maceración de maíz, un subproducto de la obtención de almidón de maíz. El laboratorio probó mohos enviados desde todo el mundo, y la mejor resultó ser una cepa de Penicillium chrysogenum (hoy clasificada como P. rubens) procedente de un melón cantalupo enmohecido comprado en Peoria. Las cepas derivadas de ella, entre ellas mutantes obtenidos con rayos X y luz ultravioleta, rindieron todavía más. El cambio de mayor alcance fue cultivar el moho en todo el volumen del líquido y no en su superficie, dentro de tanques cerrados de acero que se agitaban y recibían aire estéril. Pfizer ya empleaba este método para fabricar ácido glucónico, y el 1 de marzo de 1944 (según una fuente, en 1943) abrió en Brooklyn, en una antigua fábrica de hielo, la primera gran planta de penicilina, con catorce tanques de 7500 galones estadounidenses (unos 28 000 litros) cada uno. Un solo microbio intruso podía echar a perder un tanque entero, así que el caldo y los tanques se esterilizaban antes de añadir el moho, y el aire y las tuberías mantenían fuera otros organismos mientras crecía.

Penicilinas semisintéticas. La fermentación da sobre todo bencilpenicilina, o penicilina G, en especial cuando se añade al caldo ácido fenilacético, que el moho incorpora a la molécula. En 1957, unos químicos de los Beecham Research Laboratories, en Surrey, aislaron el núcleo desnudo de la molécula, el ácido 6-aminopenicilánico, y publicaron el trabajo en 1959. Uniendo nuevas cadenas laterales a ese núcleo, los químicos obtuvieron penicilinas que resisten el ácido del estómago, que aguantan la enzima bacteriana penicilinasa o que actúan sobre más tipos de bacterias, como la cloxacilina y la amoxicilina. Hoy el núcleo suele separarse de la penicilina fermentada con ayuda de una enzima, y antes de liberar cada lote las fábricas comprueban su identidad, su pureza y su potencia, y en las formas inyectables también su esterilidad.

Seguridad. Esta sección describe cómo producían el medicamento los laboratorios y las fábricas. La penicilina no puede fabricarse en casa sin peligro: el moho del pan o de la fruta contiene muy poca o ninguna, puede pertenecer a especies que producen toxinas, y una preparación impura puede causar una infección grave o un choque. La penicilina también puede provocar reacciones alérgicas graves, y solo se usa con receta médica.

Historia y evolución

Desde hacía siglos se había notado que ciertos mohos parecían ayudar a curar las heridas, y en la década de 1890 varios investigadores informaron de que los mohos podían frenar a las bacterias. Ninguno de esos hallazgos dio lugar a un tratamiento.

Alexander Fleming, bacteriólogo del hospital de St Mary de Londres, se fue de vacaciones en el verano de 1928. Al volver, a principios de septiembre, vio que una placa de estafilococos se había contaminado con un moho y que las colonias cercanas se habían desvanecido. Cultivó el moho, demostró que su caldo mataba muchos tipos de bacterias, llamó penicilina a la sustancia activa y publicó sus resultados en 1929. Pero la penicilina era inestable y difícil de extraer, y Fleming no logró obtener suficiente en forma pura para tratar a enfermos.

Diez años después, en Oxford, Howard Florey y Ernst Chain retomaron el problema. Norman Heatley ideó cómo extraer y concentrar la penicilina, y el equipo cultivó el moho en cientos de recipientes. El 25 de mayo de 1940 infectaron a ocho ratones con estreptococos y trataron a cuatro. A la mañana siguiente, los cuatro ratones sin tratar habían muerto y los tratados seguían vivos. En febrero de 1941 un policía, Albert Alexander, fue uno de los primeros pacientes. Al principio mejoró, pero la reserva se agotó y murió.

La Gran Bretaña en guerra no podía producir penicilina a gran escala, así que en 1941 Florey y Heatley viajaron a Estados Unidos, donde un laboratorio público de Peoria, Illinois, y varias empresas farmacéuticas tomaron el relevo. En marzo de 1942, la reserva estadounidense alcanzaba para tratar a un solo paciente. En 1944 las fábricas producían lo suficiente para los ejércitos aliados, y desde el 15 de marzo de 1945 llegó a las farmacias estadounidenses por los canales comerciales normales.

Fleming, Florey y Chain compartieron el Premio Nobel de Fisiología o Medicina en 1945. Ese mismo año Dorothy Hodgkin determinó la estructura de la penicilina mediante cristalografía de rayos X. Entretanto, la búsqueda de otros antibióticos había dado la estreptomicina, descubierta en 1943; siguieron las tetraciclinas y muchos más, y más tarde los químicos crearon nuevas penicilinas modificando la molécula.