Biología sintética: rediseñando organismos
Por Juliette Irmer
El objetivo de la biología sintética es comprender los sistemas biológicos tan bien que puedan reconstruirse y modificarse. De esta forma, se les debe dotar de nuevas propiedades que no se dan en la naturaleza. El campo de investigación de la biología sintética es muy diverso: la investigación sobre el origen de la vida utilizando genomas mínimos es una parte tan importante como la investigación más orientada a la aplicación en la que se producen nuevas biomoléculas, fármacos y productos químicos. Los enormes avances en biología molecular y bioinformática también están impulsando la biología sintética.
La biología sintética es un concepto que intenta ver los sistemas biológicos a través de los ojos de un ingeniero. Siguiendo este patrón de pensamiento, una célula se compone de diferentes módulos, como proteínas, y el material genético es el modelo de estos módulos. Al replicar y cambiar este modelo en condiciones estandarizadas, se pueden crear organismos que estén equipados con nuevas funciones.
El campo de investigación de la biología sintética abarca desde un código de ADN extendido con cuatro bloques de construcción adicionales....
... a procesos biotecnológicos de reciclaje de residuos plásticos mixtos.
Foto grande arriba: levadura de cerveza, un organismo de producción usado frecuentemente en biología sintética. (Kateryna Kon, 123RF). Foto arriba: Millie Georgiadis/ Escuela de Medicina de la Universidad de Indiana, abajo: Josep Curto, 123RF
En 2010, la réplica uno a uno de un genoma bacteriano de un millón de pares de bases fue noticia. Solo diez años después, ya no se trata solo de reconstrucciones del genoma: en cambio, los científicos están tratando de trabajar en los llamados genomas mínimos. Para ello, eliminan todos aquellos genes que no son directamente necesarios para la supervivencia. Por ejemplo, en la bacteria de agua dulce Caulobacter crescentus, que naturalmente tiene alrededor de 4000 genes, pero sobrevive en el laboratorio con solo 680 genes. Dichos experimentos brindan a los biólogos moleculares información sobre la estructura y la regulación de los genomas.
Un hito en la rama de investigación que ahora se conoce como genómica sintética fue el anuncio del organismo sintético E. coli Syn61 en 2019. Científicos británicos reemplazaron por completo todo el genoma de la bacteria intestinal Escherichia coli con ADN sintético, un total de cuatro millones de bloques de construcción de ADN, y así crearon el genoma artificial más grande hasta la fecha. También simplificaron el código genético del genoma original de E. coli en 18 000 posiciones de ADN, lo que se conoce como recodificación: los investigadores intercambiaron cada codón TCG que codifica el aminoácido serina en el codón sinónimo AGC, que también significa serina. (Codón: cada tres pares de bases en los que se codifica un aminoácido).
E.Coli Syn61 se las arregla con solo 61 codones en lugar de 64. Tiene una forma un poco más alargada y se divide más lentamente que su primo, pero está vivo. En el futuro, los tres codones que se han liberado podrían servir como instrucciones para nuevos aminoácidos y, por lo tanto, para nuevas proteínas. En 2019, los investigadores japoneses también crearon un ADN con cuatro bloques de construcción artificiales adicionales, a los que llamaron acertadamente Hachimoji (japonés = ocho letras). A pesar de esta expansión, el ADN sintético permaneció funcional.
Los avances en biología sintética también se deben a la caída masiva de los precios de las tecnologías utilizadas: el ADN ahora se puede descifrar de manera extremadamente rápida y económica y sintetizarse de nuevo, bloque por bloque. El ensamblaje del ADN, es decir, el ensamblaje de piezas individuales de ADN, también se ha convertido en una rutina.
De esta manera, los investigadores también se están acercando a genomas más grandes: durante unos diez años, el consorcio de levadura Sc2.0 ha estado reelaborando el genoma de la levadura de cerveza, que comprende once millones de pares de bases. Los investigadores recodificaron, eliminaron y cambiaron la estructura del material genético fusionando también los cromosomas. La levadura tolera cosas sorprendentes, incluso la reducción de los 16 cromosomas dispuestos linealmente a uno solo en forma de anillo. Por lo tanto, los científicos sospechan que el genoma de la levadura contiene una serie de elementos redundantes. Se dice que una versión rediseñada del genoma de la levadura, Sc3.0, incluye cambios más radicales para crear un genoma mucho más compacto.
Codiciadas "sustancias naturales": Producción en grandes cantidades y con calidad constante
Las áreas de investigación orientadas a la aplicación de la biología sintética también se están desarrollando más. Los científicos modifican el metabolismo de las células bacterianas, de levadura o vegetales y las convierten en fábricas de células. De esta manera se puede producir una amplia gama de sustancias diferentes: enzimas para procesos industriales, como las algodonosas, que simplifican el procesamiento químicamente complejo del algodón y lo hacen más respetuoso con el medio ambiente, biocombustibles como el isobutanol y el etanol, biopolímeros, productos químicos, fragancias y sabores y medicinas. Fabricados sintéticamente, garantizan una calidad constante.
El organismo utilizado depende de sus capacidades y del ingrediente activo a producir. Las bacterias difieren en su rendimiento metabólico de las células eucariotas. Algunos tipos de bacterias, por ejemplo, pueden utilizar materias primas renovables, como almidón vegetal, desechos de madera y celulosa, y algunas aparentemente pueden usar componentes plásticos por sí mismas.
Hay bacterias que pueden descomponer y utilizar componentes de tereftalato de polietileno (PET), que está muy extendido en las botellas de agua de plástico, y poliuretano (PU), que se encuentra en esponjas para lavar platos y botas de goma, por ejemplo. El proyecto MIX-UP, una cooperación europeo-china coordinada por Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, está investigando métodos de reciclaje sostenibles en los que los plásticos mixtos se conviertan en valiosos bioplásticos con la ayuda de enzimas y comunidades bacterianas (en principio, el El objetivo debe ser cambiar a plásticos fácilmente degradables, ya que las bacterias por sí solas no pueden resolver el problema de los desechos plásticos. No se han encontrado bacterias para el PVC o el polietileno, de los cuales también se fabrican las láminas).
A pesar de lo versátiles que son las bacterias en lo que respecta a la producción de proteínas complejas como los anticuerpos, se descartan como sistema de producción porque no pueden unir residuos de azúcar a las proteínas. Esta llamada glicosilación solo tiene lugar en las células eucariotas y es esencial para el funcionamiento de muchas proteínas, como los anticuerpos. Aquí es donde entran en juego las células vegetales, que son más fáciles y económicas de cultivar que los cultivos de células animales, que se han utilizado hasta la fecha para producir proteínas humanas.
Uno de los pioneros es la empresa eleva, que utiliza musgo para desarrollar dos ingredientes activos para enfermedades raras: Moss-aGal, una forma recombinante de la enzima humana α-galactosidasa, y la proteína factor H altamente compleja. El musgo ha sido genéticamente "humanizado", para que produzca las proteínas apropiadas con los restos de azúcar correctos. Además, las células fueron programadas para liberar los principios activos al medio de cultivo.
A pesar de algunos éxitos iniciales, la biología sintética todavía está en pañales. Sin embargo, podría superarlos rápidamente: el conocimiento sobre la composición y estructura de los genomas y sobre la regulación de genes está creciendo rápidamente. Combinado con las nuevas posibilidades de edición del genoma, se puede esperar que los científicos pronto puedan construir y modificar las rutas metabólicas y los genomas de manera aún más eficiente y específica.
Como cualquier nueva tecnología, la biología sintética ofrece oportunidades, pero también alberga riesgos que crean temores. Los opositores a la ingeniería genética a menudo se refieren a la biología sintética como "ingeniería genética extrema". De hecho, los límites entre la ingeniería genética clásica y la edición del genoma son fluidos, por lo que las preguntas éticas planteadas son similares: ¿los humanos traspasan los límites morales cuando rediseñan organismos utilizando técnicas de biología sintética, o incluso crean otros nuevos?
La mayoría de los científicos, especialistas en ética y tomadores de decisiones políticas están de acuerdo en que la sociedad en su conjunto debe discutir las ventajas y desventajas de tales desarrollos tecnológicos y que tales desarrollos científicos deben ser monitoreados críticamente en términos de seguridad: En Alemania, por ejemplo, la sede Comisión para la Seguridad Biológica (ZKBS) encargada por el Ministerio Federal de Alimentación y Agricultura. Según ZKBS, "la investigación actual sobre biología sintética, ni en Alemania ni en todo el mundo, plantea otros riesgos para la seguridad biológica además de los que ya se evalúan mediante la Ley de Ingeniería Genética y otras regulaciones internacionales para modificaciones de ingeniería genética "convencionales".
Si algún día fuera posible producir sistemas biológicos artificiales reproducibles, se requerirían nuevos criterios de evaluación de riesgos.
Qué es posible con la biología sintética: algunos ejemplos
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Quién, fuente
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