BIOLOGÍA SINTÉTICA

 

 

ÍNDICE

1. Biología Sintética: Una disciplina científica emergente
2. Origen de la Biología Sintética
3. Herramientas básicas y estrategias de la Biología Sintética
4. Síntesis de la primera especie eucariota sintética
5. Trabajos de Venter, Murtas y Luisi
6. Otros proyectos de transformación bioquímica
7. Avances mediante la Biología Sintética en el ámbito biomédico
8. Avances en la ciencia medioambiental
9. Conclusiones

Notas y Bibliografía

 

 

1. Biología Sintética: Una disciplina científica emergente

La Biología Sintética es el nombre que recibe una disciplina científica emergente que integra conocimientos de biología, genética, química, ciencia computacional e ingeniería y que tiene como objetivo principal la producción de formas de vida nuevas o mejoradas. A diferencia de la biología tradicional, que trata de comprender y explicar la química y la estructura de los seres vivos como un fenómeno natural, la biología sintética, valiéndose de las herramientas derivadas del avance de la biología molecular, trata las estructuras, las moléculas y los sistemas bioquímicos como material de partida para el diseño de formas de vida novedosas o con nuevas propiedades ausentes en la naturaleza.

La Biología Sintética promete revolucionar en los próximos años la biotecnología, reduciendo nuestra dependencia de combustibles fósiles con la introducción de energías más limpias o trasformando la biomedicina, por ejemplo a través del desarrollo de biosensores que integren diagnóstico y tratamiento.

 

2. Origen de la Biología Sintética

El origen de esta disciplina se remonta a los años 70 del siglo pasado, con la aparición de los primeros avances de la Biología Molecular1-4, de la que extrae métodos y técnicas. En los años 80 y 90 se aprovecha de dos avances notables, como son 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 20015,6. En el año 2010, el grupo de Venter demuestra que se puede producir una nueva especie de bacteria autorreplicante utilizando estas técnicas7. 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.

 

3. Herramientas básicas y estrategias de la Biología Sintética

Como se ve claramente en el ejemplo anterior, las herramientas básicas de la Biología Sintética son los fragmentos estandarizados, tales como genes, proteínas o fragmentos de cromosomas con una función conocida, que pueden ensamblarse para programar células  y controlar la función del organismo.  Una de las estrategias mas extendidas en la Biología Sintética consiste en el uso de los denominados Biobricks, fragmentos de ADN más o menos complejos que determinan una función o funciones coordinadas8, y que pueden diseñarse y combinarse para conseguir una nueva función para la célula o por extensión para el organismo o especie.

 

4. Síntesis de la primera especie eucariota sintética

Más recientemente, se produce un salto cualitativo importante con la síntesis de la primera especie eucariota sintética9. En este caso, el Dr. Moreno, de la Universidad de Berna, ha sido capaz de producir una nueva especie de mosca a partir de la manipulación de un pequeño grupo de genes conocidos, generando una mosca con un fenotipo distinto, que puede reproducirse con los de su especie, pero no con los de la especie de la que proviene, demostrando de esta manera por primera vez que es posible la transición entre las especies transgénicas y las sintéticas.

 

5. Trabajos de Venter, Murtas y Luisi

El trabajo de Venter ejemplifica bien un tipo de estrategia descendente, partiendo de una de las formas más simples de vida celular y separando cada uno de sus genes para observar su efecto sobre el organismo. Por el contrario otros trabajos de Biología Sintética como los realizados por los Murtas10 y Luisi11 ejemplifican una estrategia o enfoque ascendente, que pretende crear un ser vivo a partir de materiales totalmente inertes. El avance consiste en haber elaborado una especie de células sencillas que son, básicamente, bolsas hechas de membrana adiposa que contienen enzimas y ribosomas purificados, componentes comunes a todas las células que traducen el código genético en proteínas.

 

6. Otros proyectos de transformación bioquímica

Aunque se trate de un campo que se encuentra en su desarrollo inicial, con numerosas limitaciones, ya se han llevado a cabo otros muchos proyectos de transformación bioquímica que podríamos agrupar en cuatro tipos12:

- Incorporación de genes no nativos para extender el metabolismo natural del organismo.

- Incorporación de rutas metabólicas completas para añadir su función.

- Creación de nuevas rutas metabólicas que nunca existieron antes en la naturaleza.

- Organización de rutas metabólicas para potenciar su actividad (a través de la compartimentalización o scaffolds).

Esta disciplina, a través de la aplicación de las técnicas y herramientas de la ingeniería a sistemas biológicos permitirá avanzar en el conocimiento básico del funcionamiento de los seres vivos, así como en el diseño y producción de nuevas moléculas. Algunas de las estrategias más importantes en las que se basa su avance son la expansión del código genético, el diseño de circuitos genéticos con una función coordinada o la identificación del genoma mínimo autorreplicante.

 

7. Avances mediante la Biología Sintética en el ámbito biomédico

En el ámbito biomédico el principal logro en este campo hasta el momento ha sido la producción artificial del fármaco antipalúdico artemisinina13. Sin embargo, la Biología Sintética permitirá además avanzar en el ámbito biomédico en la caracterización de patógenos, el análisis de las enfermedades, el desarrollo de nuevas herramientas diagnósticas, nuevos ensayos de screening, y en la producción de fármacos personalizados y vacunas. Este progreso podría a corto plazo concretarse en periodos mas cortos para el descubrimiento y desarrollo de fármacos y mejora de su especificidad, así como producción de medicinas más económicas.Igualmente, se están diseñando sofisticados sensores que puedan detectar cambios en metabolitos, estados patológicos y que tengan la capacidad de devolver a un status normal las alteraciones, conectando de este modo el diagnóstico y el tratamiento de forma automática. Algunos trabajos recientes muestran que esto es posible en modelos animales de enfermedades humanas. Sin embargo, aún queda un largo recorrido hasta que estos sistemas basados en la Biología Sintética puedan ser utilizados en la clínica. Uno de los retos más importantes será colocar estos circuitos en las células de forma específica, bien se basen en genes o en células, con la seguridad de que no interfieran con el metabolismo14.

 

8. Avances en la ciencia medioambiental

En el campo de la ciencia medioambiental los principales logros hasta el momento han sido la producción de bioalcoholes como fuente de energía, el diseño de algas fotosintéticas o la producción de hidrógeno15. Algunos de los objetivos en este ámbito son la producción de energías renovables, aumentando la producción de energía y mejorando su eficiencia y el diseño de sistemas biológicos útiles en biorremediación o que puedan funcionar como biosensores.

 

9. Conclusiones

En la actualidad, la limitación más importante para el avance en esta disciplina es la incapacidad de predecir el comportamiento y la evolución de los nuevos sistemas biológicos sintéticos. La extraordinaria complejidad de la expresión génica queda patente en los últimos descubrimientos sobre la función del genoma o el funcionamiento de los procesos epigenéticos16.

Como todo avance biotecnológico, la biología sintética resulta ambivalente, prometiendo por un lado descubrimientos con enorme utilidad para el ser humano y por otro, planteando dilemas éticos de gran calado. Algunos de los más importantes son los que pueden afectar al medio ambiente, como son la posible amenaza para la biodiversidad por la introducción de especies sintéticas o el posible control del proceso evolutivo, con consecuencias imprevisibles. Otro elemento importante a tener en cuenta es que nos encontramos en un contexto donde los avances en este y otros campos de las ciencias experimentales se pueden realizar fuera de los laboratorios de universidades y centros de investigación, utilizando técnicas sofisticadas pero que ya se consideran de uso rutinario lo cual hace que aumente la preocupación por su posible uso en bioterrorismo, con el riesgo en último término de autodestrucción17. Además de lo expuesto anteriormente, el avance en esta disciplina plantea cuestiones bioéticas derivadas de lo que podría suponer un intento de superación de la especie humana en una sociedad posthumanista18, a la vez que nos empuja a una profundización en el significado del fenómeno vital.

 

 

Notas y Bibliografía

1. Jackson, David D., R. H. Symons, and Paul Berg. Biochemical Method for Inserting New Genetic Information into DNA of Simian Virus 40: Circular SV40 DNA Molecules Containing Lambda Phage Genes and the Galactose Operon of Escherichia coli. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 1972;69(10):2904-9.

2. Khorana HG, Agarwal KL, Besmer P, Büchi H, Caruthers MH, Cashion PJ, et al. Total synthesis of the structural gene for the precursor of a tyrosine suppressor transfer RNA from Escherichia coli. 1. General introduction. J Biol Chem. 1976 Feb 10;251(3):565–570.

3. Maxam AM, Gilbert W. A new method for sequencing DNA. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 1977 Feb;74 (2):560–4

4. Sanger F, Donelson JE, Coulson AR, Kössel H, Fischer D. Use of DNA Polymerase I Primed by a Synthetic Oligonucleotide to Determine a Nucleotide Sequence in Phage f1 DNA. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 1973;70(4):1209–13.

5. Venter JC, Adams MD, Myers EW, Li PW, Mural RJ, Sutton GG, et al. The sequence of the human genome. Science. 2001 Feb 16;291(5507):1304-51.

6. Lander ES, Linton LM, Birren B, Nusbaum C, Zody MC, Baldwin J, et al. International Human Genome Sequencing Consortium. Initial sequencing and analysis of the human genome. Nature 2001 Feb 15;409(6822):860-921.

7. Gibson DG, Glass JI, Lartigue C, Noskov VN, Chuang RY, Algire MA, Benders GA, Montague MG, Ma L, Moodie MM, Merryman C, Vashee S, Krishnakumar R, Assad-Garcia N, Andrews-Pfannkoch C, Denisova EA, Young L, Qi ZQ, Segall-Shapiro TH, Calvey CH, Parmar PP, Hutchison CA 3rd, Smith HO, Venter JC. Creation of a bacterial cell controlled by a chemically synthesized genome. Science 2010 Jul 2;329(5987):52-6.

8. http://partsregistry.org/

9. Moreno E. Design and construction of "synthetic species". PLoS One. 2012;7 (7):       e 39054

10. Murtas G. Artificial assembly of a minimal cell. Mol Biosyst. 2009 Nov; 5 (11):          1292 - 1297.

11. Luisi PL. Chemical aspects of synthetic biology. Chem Biodivers. 2007 Apr;  4(4):    603-21.

12. Fritz BR, Timmerman LE, Daringer NM, Leonard JN, Jewett MC. Biology by design: from top to bottom and back. J Biomed Biotechnol. 2010 Nov. doi: 10.1155/2010/232016

13. Ro DK, Paradise EM, Ouellet M, Fisher KJ, Newman KL, Ndungu JM, Ho KA, Eachus RA, Ham TS, Kirby J, Chang MC, Withers ST, Shiba Y, Sarpong R, Keasling JD. Production of the antimalarial drug precursor artemisinic acid in engineered yeast. Nature. 2006 Apr. 13; 440(7086): 940-943.

14. Weber W, Fussenegger M. Emerging biomedical applications of synthetic biology. Nat Rev Genet. 2011 Nov 29;13(1): 21-35.

15. Savage, D.F., Way J., and P.A. Silver. (2008). Defossiling fuel:  How synthetic  biology can transform biofuel production.   American  Chemical Society Chemical   Biology 3(1): 13-16.

16. http://the-scientist.com/2012/09/05/getting-to-know-the-genome/

17. Sgreccia E. Manual de bioética. I, fundamentos y ética biomédica. Madrid: Biblioteca de Autores Cristianos; 2007. Capítulo II, punto 4 "El método de investigación en bioética" pp73-74.

18. Ballesteros J. Biotecnología y posthumanismo. Pamplona: Ed. Aranzadi; 2007.

 

¿Cómo citar esta voz?

Sugerimos el siguiente modo de citar, que contiene los datos editoriales necesarios para la atribución de la obra a sus autores y su consulta, tal y como se encontraba en la red en el momento en que fue consultada:

Hernández Andreu, José Miguel, BIOLOGÍA SINTÉTICA, en García, José Juan (director): Enciclopedia de Bioética, URL: http://enciclopediadebioetica.com/index.php/todas-las-voces/204-biologia-sintetica

 

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