Biología sintética
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La Biología sintética es la síntesis Biomolecular o Ingeniería de Sistemas Biológicos con funciones nuevas que no se encuentran en la naturaleza.
Sumario
Definición
La Biología sintética es la Ingeniería de la Biología: la síntesis de sistemas complejos, basados (o inspirados) en la Biología, que realizan funciones que no existen en la naturaleza. Es uno de los campos más punteros de la investigación actual, en el que se combinan Biología e Ingeniería. Se trata de una disciplina que, a diferencia de la Biología, no se basa en el estudio de los seres vivos, sino que posee como objetivo el diseño de sistemas biológicos que no existen en la naturaleza.
Origen y desarrollo
El origen de esta disciplina se remonta a los años 70 del siglo pasado, con la aparición de los primeros avances de la Biología Molecular, de la que extrae métodos y técnicas. En los años 80 y 90 se aprovecha de dos avances notables: la aparición de la reacción en cadena de la polimerasa y más tarde, de las técnicas de secuenciación automática, que permiten culminar la secuenciación completa del genoma humano (Human Genome Project) en el año 2001. En el año 2010, el grupo de Venter demuestra que se puede producir una nueva especie de bacteria autorreplicante utilizando estas técnicas. Este primer estudio muestra la creación del primer genoma sintético autoreplicativo en una célula bacteriana de una especie diferente, siendo la primera vez que todo el material genético en una célula bacteriana es reemplazado con una copia sintética de los genes necesarios para su funcionamiento normal. Básicamente, la investigación consistió en ensamblar fragmentos de ADN sintético para conseguir el genoma completo de una de las bacterias más simples que se conocen, el Mycoplasma mycoides, que tiene alrededor de 1 millón de pares de bases (la unidad de longitud de los ácidos nucleicos, consistente en un emparejamiento de nucleótidos complementarios A-T o C-G). Este nuevo conjunto de genes o genoma sintético viene a ser como un libro de instrucciones con el mensaje necesario para que la célula pueda vivir y dividirse. Este genoma se usó entonces para sustituir el de una bacteria "hermana", el Mycoplasma capricolum, que sin su libro de instrucciones se convierte en una carcasa inútil. Este genoma sintético fue entonces capaz de tomar las riendas de la actividad de la célula bacteriana y renovarla según sus propias instrucciones, permitiendo su crecimiento y división.
Objetivo
El objetivo principal de la Biología sintética es el diseño e ingeniería de circuitos biológicos, equivalentes a los circuitos electrónicos de ordenadores y dispositivos parecidos, para lograr formas lógicas de control celular. Diez años después de la descripción de los primeros dispositivos de la Biología sintética (los interruptores y los osciladores), las redes biomoleculares artificiales están comenzando a moverse hacia el lado aplicado para ofrecer soluciones a muchos problemas complejos. Aunque esta nueva disciplina tiene su origen en la Ingeniería Genética, su objetivo es ir un paso más allá en la obtención de células programables: ya no se trata de una ciencia empírica, sino de una ciencia sistemática y racional, mucho más aproximada a la Ingeniería que a la propia Biología.
Fases de desarrollo
La Biología sintética trasciende la mera manipulación microbiana y pone en cuestión conceptos centrales de la evolución. Capaz de escoger trayectorias diferentes de las que originalmente tomó la naturaleza, la disciplina ha recorrido tres fases:
• La primera fue la era de la Ingeniería Genética o la Biotecnología. Comenzó en los años setenta con la modificación del genoma de microorganismos. Se alteró el de Escherichia coli para que produjera insulina, eritropoyetina y anticuerpos monoclonales, entre otros.
• La segunda fase se aplicó a la elaboración y desarrollo de una genómica sintética asociada a la fabricación de nuevos fármacos y producción de biocombustibles y alimentos genéticamente modificados.
• En la tercera fase, la actual, se pretende la síntesis completa de genomas, la creación incluso de especies enteramente nuevas.
Herramientas básicas y estrategias de la Biología sintética
• La Biología sintética pretende desarrollar comportamientos biológicos predecibles y programables, y para ello se ayuda de la Biología de sistemas, la cual lleva a cabo estudios a distintos niveles de organización (de células a organismos completos), todo ello integrado en modelos matemáticos e informáticos. Los ámbitos que la Biología sintética abarca permiten que este nuevo campo potencie la multidisciplinaridad, acogiendo desde biotecnólogos e ingenieros a informáticos, matemáticos y físicos.
• La base de la Biología sintética son los biobricks, fragmentos de ADN que codifican para una característica biológica y que pueden ser combinados para formar circuitos complejos. Los biobricks constituyen, por tanto, la unidad estándar y modular básica que realiza una función simple y permiten modificar el comportamiento de una célula sin la necesidad de conocer a priori el funcionamiento exacto del sistema.
Aplicaciones
La Biología sintética une a ingenieros y biólogos a la hora de diseñar y construir componentes biomoleculares, redes y vías metabólicas a partir de cero, utilizando estas construcciones para reprogramar organismos. Esta ingeniería de novo de circuitos genéticos, módulos biológicos y vías sintéticas está comenzando a solucionar problemas críticos en Biología y está siendo ya utilizada en aplicaciones prácticas.
Biomedicina
La medicina será una de las áreas que más se beneficiará de los avances en esta nueva disciplina, en concreto las áreas sobre las que tendrá una mayor repercusión serán el desarrollo de nuevos fármacos, la terapia génica, la reparación y regeneración de tejidos y la reprogramación celular.
Fármacos
Un fármaco compuesto por una envuelta sintética que contiene una molécula que al detectar un indicador concreto, activa la liberación del fármaco. La administración de este tipo de fármacos ha de ser sencilla y sólo debe activarse cuando el paciente desarrolle la enfermedad.
Genómica personalizada
La Biología sintética permitirá obtener un conocimiento más amplio de la complejidad de las enfermedades y, por tanto, será posible desarrollar fármacos a la carta. Esto se realizará gracias a las tecnologías propias de este campo como son la creación de circuitos genéticos y la ingeniería genética in silico. Mediante estas tecnologías se podrán crear modelos tanto teóricos como experimentales que permitirán probar la respuesta o efectos secundarios de un fármaco frente a los distintos modelos diseñados en el laboratorio. Como consecuencia, los fármacos del futuro estarán ajustados a las necesidades del paciente en su formulación, dosis, cinética de liberación, y patrón de glicosilación. También se entiende por la búsqueda del fármaco o combinación de fármacos existentes, dentro de los protocolos existentes o incluso al margen de ellos, que pueden ser más eficaces en un paciente concreto. La comprobación de dicha eficacia es previa al tratamiento y se desarrolla en laboratorio mediante pruebas y tests sobre tejidos o muestras in vitro del paciente.
Terapia genética
Consiste en el diseño y modificación de virus para transportar genes a tejidos concretos y conseguir la recombinación e integración de los mismos de forma eficiente en el genoma del paciente. Esta aplicación constituiría un gran empuje para la terapia génica, que, tras sus prometedores comienzos, no ha conseguido superar una de sus grandes barreras, la capacidad de llevar el transgén a la célula diana, sobre todo para el tratamiento del cáncer o de síndromes genéticos. Además de virus, también es posible el diseño de circuitos biológicos que detecten cambios fisiológicos anormales en las células y den lugar a una respuesta basada en la recombinación del gen anormal con su homólogo normal. Tanto los virus como los circuitos biológicos sintéticos pueden ser empleados para reconocer y eliminar células anormales, siendo el cáncer la aplicación más inmediata.
Reparación y regeneración de tejidos
Esta aplicación se basa en el diseño de sistemas moleculares formados por sensores capaces de reconocer la existencia de daños en determinados tejidos, unido a un grupo de enzimas capaces de reparar el daño. Ejemplos potenciales podrían ser la regeneración endotelial de los vasos sanguíneos en lesiones vasculares y la reparación tisular a través de la regeneración de la matriz de colágeno.
Reprogramación celular
Las células madre pueden ser modificadas de modo que adquieran nuevas propiedades y posteriormente sean introducidas en pacientes para, por ejemplo, revertir una patología. Esta terapia podría ser de utilidad en la reprogramación del sistema inmune con el objeto de combatir enfermedades infecciosas. La regeneración de órganos por medio de estrategias de reprogramación celular es otra de las aplicaciones potenciales en Biomedicina, proceso común en otros vertebrados como las salamandras o tritones. Recientemente se ha hecho entrega del Premio Nobel de medicina a los "padres" de la reprogramación celular el japonés Shinya Yamanaka y el británico John B. Gurdon, quienes han revolucionado la investigación de cómo se desarrollan los organismos y las células.
Conceptos que diferencian a la Biología sintética de las disciplinas de la Ingeniería Biológica tradicional
1. Abstracción, que significa la organización de la información en jerarquías que describen las funciones biológicas entre diferentes niveles de complejidad. Con ello se puede manejar la complejidad biológica:
a. ADN: Instrucciones genéticas
b. Partes: Secuencias de ADN que codifican cierta información y realizan funciones definidas
c. Dispositivos: Combinación de partes con funciones específicas conjuntas o combinadas
d. Sistemas: Combinación de dispositivos con funciones específicas
2. Construcción por módulos a través de partes biológicas, con el uso de tecnología automatizada de síntesis de ADN, que permite la escritura rápida y sencilla del código genético, en comparación con métodos tradicionales (Recombinación de ADN y PCR). La Biología sintética involucra la Ingeniería metabólica pero difiere de ella al basarse en componentes claves hechos de ADN.
3. Estandarización de partes biológicas y dispositivos que permitan:
a. El intercambio entre dispositivos o sistemas.
b. La predicción de funciones desde los dispositivos más simples hasta las células más complejas.
c. La construcción de sistemas con precisión y confiabilidad.
Al ser una disciplina fundada en ingeniería, tiene un fuerte enfoque en escalabilidad de la tecnología, optimización y funcionalidad, características que la posicionan como la Biotecnología emergente, con gran potencial para generar soluciones comerciales para una amplia variedad de industrias.
Perspectivas para el futuro
Su futuro desarrollo supondrá un impacto para la Biología y la Biotecnología actual comparable al impacto que ha tenido la introducción de la Informática en las distintas disciplinas científicas. Según los expertos consultados, las aplicaciones de Biología sintética con unas perspectivas de desarrollo más inminentes son las relacionadas con el Medio Ambiente, mientras que la Biomedicina se presenta como la aplicación con unas perspectivas de desarrollo a más largo plazo, el resto de aplicaciones se encuentran en una situación intermedia.
Perspectivas a corto plazo
Medio Ambiente: Es el campo de aplicación de la Biología sintética que los expertos han valorado con unas perspectivas de desarrollo más cercanas en el tiempo y, por debajo de la Biomedicina, es el área donde existe mayor interés entre ellos. Las aplicaciones de Biología sintética que pertenecen al ámbito del Medio Ambiente, tales como la seguridad de organismos transgénicos y la explotación de reservas mineras de baja calidad, son situadas en un plazo de tiempo de 5 a 10 años.
Perspectivas a mediano plazo
Los expertos consultados sitúan a la síntesis de nuevos materiales en un plazo de tiempo de 5 a 10 años, el desarrollo de nuevos materiales mediante técnicas de Biología sintética se encuentra estrechamente relacionado con otra disciplina con grandes perspectivas de desarrollo, la Nanotecnología. En cuanto a las aplicaciones de la Biología sintética relacionadas con Procesos Industriales la necesidad de disponer de enzimas con características más específicas hace que éste sea un campo con una gran actividad investigadora.
Perspectivas a largo plazo
La Biomedicina es la que más investigadores señalan como área de interés principal de la Biología sintética, según estos, la Biomedicina alcanzará un mayor grado de desarrollo en un período de tiempo comprendido entre 10 y 15 años.
