La biología sintética ( SynBio ) es un área de investigación multidisciplinaria que busca crear nuevas partes, dispositivos y sistemas biológicos, o rediseñar sistemas que ya se encuentran en la naturaleza.
Es una rama de la ciencia que abarca una amplia gama de metodologías de diversas disciplinas, como la biotecnología , la ingeniería genética , la biología molecular , la ingeniería molecular , la biología de sistemas , la ciencia de la membrana , la biofísica , la ingeniería química y biológica , ingeniería eléctrica e informática , ingeniería de control y biología evolutiva .
Debido a las capacidades de ingeniería genética más poderosas y la disminución de los costos de secuenciación y síntesis de ADN , el campo de la biología sintética está creciendo rápidamente. En 2016, más de 350 empresas en 40 países participaron activamente en aplicaciones de biología sintética; todas estas empresas tenían un patrimonio neto estimado de 3.900 millones de dólares en el mercado mundial. [1]
Definición
La biología sintética actualmente no tiene una definición generalmente aceptada. Aquí están algunos ejemplos:
- "el uso de una mezcla de ingeniería física e ingeniería genética para crear formas de vida nuevas (y, por lo tanto, sintéticas)" [2]
- "un campo de investigación emergente que tiene como objetivo combinar el conocimiento y los métodos de la biología, la ingeniería y disciplinas relacionadas en el diseño de ADN sintetizado químicamente para crear organismos con características y rasgos nuevos o mejorados" [3]
- "diseñar y construir módulos biológicos , sistemas biológicos y máquinas biológicas o rediseñar sistemas biológicos existentes para fines útiles" [4]
- “Aplicar el paradigma de ingeniería del diseño de sistemas a sistemas biológicos para producir sistemas predecibles y robustos con funcionalidades novedosas que no existen en la naturaleza” (La Comisión Europea, 2005) Esto puede incluir la posibilidad de un ensamblador molecular , basado en sistemas biomoleculares como el ribosoma [5]
La biología sintética se ha dividido tradicionalmente en dos enfoques diferentes: de arriba hacia abajo y de abajo hacia arriba.
- El enfoque de arriba hacia abajo implica el uso de técnicas de ingeniería genética y metabólica para impartir nuevas funciones a las células vivas.
- El enfoque de abajo hacia arriba implica la creación de nuevos sistemas biológicos in vitro reuniendo componentes biomoleculares "no vivos", [6] a menudo con el objetivo de construir una célula artificial .
Por tanto, los sistemas biológicos se ensamblan módulo por módulo. Los sistemas de expresión de proteínas libres de células se emplean a menudo, [7] [8] [9] al igual que la maquinaria molecular basada en membranas. Hay cada vez más esfuerzos para cerrar la brecha entre estos enfoques mediante la formación de células vivas / sintéticas híbridas, [10] y la comunicación de ingeniería entre poblaciones de células vivas y sintéticas. [11]
Historia
1910: Primer uso identificable del término "biología sintética" en la publicación de Stéphane Leduc Théorie physico-chimique de la vie et générations spontanées . [12] También señaló este término en otra publicación, La Biologie Synthétique en 1912. [13]
1961: Jacob y Monod postulan la regulación celular por redes moleculares a partir de su estudio del operón lac en E. coli y previeron la capacidad de ensamblar nuevos sistemas a partir de componentes moleculares. [14]
1973: Cohen, Boyer et al. Publican en PNAS la primera clonación y amplificación molecular de ADN en un plásmido . constituyendo el amanecer de la biología sintética. [15]
1978: Arber , Nathans y Smith ganan el Premio Nobel de Fisiología o Medicina por el descubrimiento de las enzimas de restricción , lo que lleva a Szybalski a ofrecer un comentario editorial en la revista Gene :
El trabajo sobre nucleasas de restricción no solo nos permite construir fácilmente moléculas de ADN recombinante y analizar genes individuales, sino que también nos ha llevado a la nueva era de la biología sintética donde no solo se describen y analizan genes existentes, sino que también se pueden construir nuevos arreglos de genes. y evaluado. [dieciséis]
1988: Se publica la primera amplificación de ADN mediante la reacción en cadena de la polimerasa (PCR) usando una ADN polimerasa termoestable en Science por Mullis et al. [17] Esto evitó la adición de nueva ADN polimerasa después de cada ciclo de PCR, lo que simplificó enormemente la mutagénesis y el ensamblaje del ADN.
2000: Dos artículos en Nature informan sobre circuitos biológicos sintéticos , un interruptor de palanca genético y un reloj biológico, mediante la combinación de genes dentro de las células de E. coli . [18] [19]
2003: Tom Knight inventa las partes de ADN estandarizadas más utilizadas, los plásmidos BioBrick . [20] Estas piezas se convertirán en un elemento central de la competencia internacional de máquinas de ingeniería genética (iGEM) fundada en el MIT el año siguiente.
2003: Los investigadores diseñan una vía precursora de la artemisinina en E. coli . [21]
2004: Se celebra la primera conferencia internacional de biología sintética, Synthetic Biology 1.0 (SB1.0) en el Instituto de Tecnología de Massachusetts, EE. UU.
2005: Los investigadores desarrollan un circuito sensor de luz en E. coli . [22] Otro grupo diseña circuitos capaces de formar patrones multicelulares. [23]
2006: Los investigadores diseñan un circuito sintético que promueve la invasión bacteriana de las células tumorales. [24]
2010: Los investigadores publican en Science el primer genoma bacteriano sintético, llamado M. mycoides JCVI-syn1.0. [25] [26] El genoma está hecho de ADN sintetizado químicamente mediante recombinación de levadura.
2011: Los brazos de cromosomas sintéticos funcionales se diseñan en levadura. [27]
2012: Los laboratorios Charpentier y Doudna publican en Science la programación de la inmunidad bacteriana CRISPR-Cas9 para atacar la escisión del ADN. [28] Esta tecnología simplificó y amplió enormemente la edición de genes eucariotas.
2019: los científicos de ETH Zurich informan sobre la creación del primer genoma bacteriano , llamado Caulobacter ethensis-2.0 , hecho completamente por una computadora, aunque aún no existe una forma viable relacionada de C. ethensis-2.0 . [29] [30]
2019: Los investigadores informan sobre la producción de una nueva forma sintética (posiblemente artificial ) de vida viable , una variante de la bacteria Escherichia coli , al reducir el número natural de 64 codones en el genoma bacteriano a 59 codones, para codificar 20 amino ácidos . [31] [32]
Perspectivas
Los ingenieros ven la biología como una tecnología (en otras palabras, un sistema dado incluye la biotecnología o su ingeniería biológica ) [33] La biología sintética incluye la amplia redefinición y expansión de la biotecnología, con el objetivo final de poder diseñar y construir sistemas biológicos vivos diseñados. que procesan información, manipulan productos químicos, fabrican materiales y estructuras, producen energía, proporcionan alimentos y mantienen y mejoran la salud humana, así como también promueven el conocimiento fundamental de los sistemas biológicos (ver Ingeniería Biomédica ) y nuestro medio ambiente. [34]
Los estudios en biología sintética se pueden subdividir en amplias clasificaciones según el enfoque que adopten para el problema en cuestión: estandarización de partes biológicas, ingeniería biomolecular, ingeniería del genoma, ingeniería metabólica. [ cita requerida ]
La ingeniería biomolecular incluye enfoques que tienen como objetivo crear un conjunto de herramientas de unidades funcionales que se pueden introducir para presentar nuevas funciones tecnológicas en células vivas. La ingeniería genética incluye enfoques para construir cromosomas sintéticos u organismos mínimos como Mycoplasma laboratorium .
El diseño biomolecular se refiere a la idea general del diseño de novo y la combinación aditiva de componentes biomoleculares. Cada uno de estos enfoques comparte una tarea similar: desarrollar una entidad más sintética en un nivel más alto de complejidad manipulando inventivamente una parte más simple en el nivel anterior. [35] [36]
Por otro lado, los "reescritores" son biólogos sintéticos interesados en probar la irreductibilidad de los sistemas biológicos. Debido a la complejidad de los sistemas biológicos naturales, sería más sencillo reconstruir los sistemas naturales de interés desde cero; Para proporcionar sustitutos diseñados que sean más fáciles de comprender, controlar y manipular. [37] Los reescritores se inspiran en la refactorización , un proceso que a veces se utiliza para mejorar el software informático.
Habilitando tecnologías
Varias tecnologías habilitadoras novedosas fueron fundamentales para el éxito de la biología sintética. Los conceptos incluyen la estandarización de partes biológicas y la abstracción jerárquica para permitir el uso de esas partes en sistemas sintéticos. [38] Las tecnologías básicas incluyen la lectura y escritura de ADN (secuenciación y fabricación). Se necesitan mediciones en múltiples condiciones para un modelado preciso y un diseño asistido por computadora (CAD).
Síntesis de ADN y genes
Impulsado por una disminución drástica en los costos de la síntesis de oligonucleótidos ("oligos") y el advenimiento de la PCR, los tamaños de las construcciones de ADN de los oligos han aumentado hasta el nivel genómico. [39] En 2000, los investigadores informaron sobre la síntesis del genoma del virus de la hepatitis C de 9,6 kpb (kilo pb) a partir de 60 a 80 mers sintetizados químicamente. [40] En 2002, los investigadores de la Universidad de Stony Brook lograron sintetizar el genoma del poliovirus de 7741 pb a partir de su secuencia publicada, produciendo el segundo genoma sintético, que se extendió por dos años. [41] En 2003, el genoma de 5386 pb del bacteriófago Phi X 174 se ensambló en aproximadamente dos semanas. [42] En 2006, el mismo equipo, en el Instituto J. Craig Venter , construyó y patentó un genoma sintético de una nueva bacteria mínima, Mycoplasma laboratorium y estaba trabajando para que funcione en una célula viva. [43] [44] [45]
En 2007 se informó que varias empresas estaban ofreciendo síntesis de secuencias genéticas de hasta 2000 pares de bases (pb) de largo, por un precio de alrededor de $ 1 por pb y un tiempo de respuesta de menos de dos semanas. [46] Los oligonucleótidos recolectados de un chip de ADN fabricado por inyección de tinta o fotolitográfico combinado con PCR y corrección de errores de desajuste de ADN permiten cambios económicos a gran escala de codones en sistemas genéticos para mejorar la expresión génica o incorporar nuevos aminoácidos (ver George M. Proyectos de células sintéticas de Church y Anthony Forster. [47] [48] ) Esto favorece un enfoque de síntesis desde cero.
Además, el sistema CRISPR / Cas se ha convertido en una técnica prometedora para la edición de genes. Se describió como "la innovación más importante en el espacio de la biología sintética en casi 30 años". [49] Mientras que otros métodos tardan meses o años en editar secuencias de genes, CRISPR acelera ese tiempo hasta semanas. [49] Sin embargo, debido a su facilidad de uso y accesibilidad, ha planteado preocupaciones éticas, especialmente en torno a su uso en biohacking . [50] [51] [52]
Secuenciación
La secuenciación del ADN determina el orden de las bases de nucleótidos en una molécula de ADN. Los biólogos sintéticos utilizan la secuenciación del ADN en su trabajo de varias formas. Primero, los esfuerzos de secuenciación del genoma a gran escala continúan proporcionando información sobre organismos naturales. Esta información proporciona un rico sustrato a partir del cual los biólogos sintéticos pueden construir piezas y dispositivos. En segundo lugar, la secuenciación puede verificar que el sistema fabricado sea el previsto. En tercer lugar, la secuenciación rápida, barata y confiable puede facilitar la detección e identificación rápidas de sistemas y organismos sintéticos. [53]
Microfluidos
La microfluídica , en particular la microfluídica de gotas, es una herramienta emergente que se utiliza para construir nuevos componentes, analizarlos y caracterizarlos. [54] [55] Se emplea ampliamente en ensayos de detección. [56]
Modularidad
Los más utilizados [57] : 22-23 partes de ADN estandarizadas son los plásmidos BioBrick , inventados por Tom Knight en 2003. [58] Los bioladrillos se almacenan en el Registro de Partes Biológicas Estándar en Cambridge, Massachusetts. El estándar BioBrick ha sido utilizado por miles de estudiantes en todo el mundo en la competencia internacional de máquinas de ingeniería genética (iGEM). [57] : 22–23
Si bien el ADN es más importante para el almacenamiento de información, las proteínas llevan a cabo una gran parte de las actividades de la célula. Las herramientas pueden enviar proteínas a regiones específicas de la célula y unir diferentes proteínas. La fuerza de interacción entre las proteínas asociadas debe poder ajustarse entre una vida útil de segundos (deseable para eventos de señalización dinámica) hasta una interacción irreversible (deseable para la estabilidad del dispositivo o resistente a condiciones adversas). Interacciones tales como bobinas enrolladas , [59] enlace péptido- dominio SH3 [60] o SpyTag / SpyCatcher [61] ofrecen tal control. Además, es necesario regular las interacciones proteína-proteína en las células, como con la luz (utilizando dominios sensibles al voltaje de oxígeno a la luz ) o moléculas pequeñas permeables a las células mediante dimerización inducida químicamente . [62]
En una célula viva, los motivos moleculares están integrados en una red más grande con componentes ascendentes y descendentes. Estos componentes pueden alterar la capacidad de señalización del módulo de modelado. En el caso de módulos ultrasensibles, la contribución de sensibilidad de un módulo puede diferir de la sensibilidad que el módulo sostiene de forma aislada. [63] [64]
Modelado
Los modelos informan el diseño de sistemas biológicos diseñados al predecir mejor el comportamiento del sistema antes de la fabricación. La biología sintética se beneficia de mejores modelos de cómo las moléculas biológicas unen sustratos y catalizan reacciones, cómo el ADN codifica la información necesaria para especificar la célula y cómo se comportan los sistemas integrados de múltiples componentes. Los modelos multiescala de redes reguladoras de genes se centran en aplicaciones de biología sintética. Las simulaciones pueden modelar todas las interacciones biomoleculares en la transcripción , traducción , regulación e inducción de redes reguladoras de genes. [65] [66] [67]
Factores de transcripción sintéticos
Los estudios han considerado los componentes del mecanismo de transcripción del ADN . Un deseo de los científicos que crean circuitos biológicos sintéticos es poder controlar la transcripción de ADN sintético en organismos unicelulares ( procariotas ) y en organismos multicelulares ( eucariotas ). Un estudio probó la capacidad de ajuste de los factores de transcripción sintéticos (sTF) en áreas de salida de transcripción y capacidad cooperativa entre múltiples complejos de factores de transcripción. [68] Los investigadores pudieron mutar regiones funcionales llamadas dedos de zinc , el componente específico del ADN de los sTF, para disminuir su afinidad por los sitios de secuencias de ADN del operador específico y, por lo tanto, disminuir la actividad específica del sitio asociada del sTF (generalmente regulación transcripcional). Además, utilizaron los dedos de zinc como componentes de los sTF formadores de complejos, que son los mecanismos de traducción eucariotas . [68]
Aplicaciones
Computadoras biológicas
Una computadora biológica se refiere a un sistema biológico diseñado que puede realizar operaciones similares a las de una computadora, que es un paradigma dominante en biología sintética. Los investigadores construyeron y caracterizaron una variedad de puertas lógicas en varios organismos, [69] y demostraron computación tanto analógica como digital en células vivas. Demostraron que las bacterias pueden diseñarse para realizar cálculos tanto analógicos como digitales. [70] [71] En células humanas, la investigación demostró un evaluador lógico universal que opera en células de mamíferos en 2007. [72] Posteriormente, los investigadores utilizaron este paradigma para demostrar una terapia de prueba de concepto que utiliza computación digital biológica para detectar y matar células cancerosas humanas en 2011. [73] Otro grupo de investigadores demostró en 2016 que los principios de la ingeniería informática pueden utilizarse para automatizar el diseño de circuitos digitales en células bacterianas. [74] En 2017, los investigadores demostraron el sistema de 'lógica y aritmética booleana a través de la escisión de ADN' (BLADE) para diseñar computación digital en células humanas. [75]
Biosensores
Un biosensor se refiere a un organismo diseñado, generalmente una bacteria, que es capaz de informar sobre algún fenómeno ambiental, como la presencia de metales pesados o toxinas. Uno de estos sistemas es el operón Lux de Aliivibrio fischeri , [76] que codifica la enzima que es la fuente de bioluminiscencia bacteriana , y puede colocarse después de un promotor respondedor para expresar los genes de luminiscencia en respuesta a un estímulo ambiental específico. [77] Uno de esos sensores creado, consistía en una capa bacteriana bioluminiscente en un chip de computadora fotosensible para detectar ciertos contaminantes del petróleo . Cuando las bacterias detectan el contaminante, emiten luminiscencia. [78] Otro ejemplo de un mecanismo similar es la detección de minas terrestres por una cepa indicadora de E. coli modificada capaz de detectar TNT y su principal producto de degradación, DNT , y en consecuencia producir una proteína verde fluorescente ( GFP ). [79]
Los organismos modificados pueden detectar señales ambientales y enviar señales de salida que pueden detectarse y servir para fines de diagnóstico. Se han utilizado cohortes de microbios. [80]
Transformación celular
Las células utilizan genes y proteínas que interactúan, que se denominan circuitos de genes, para implementar diversas funciones, como responder a señales ambientales, tomar decisiones y comunicarse. Hay tres componentes clave involucrados: ADN, ARN y circuitos genéticos diseñados por biólogos sintéticos que pueden controlar la expresión génica desde varios niveles, incluidos los niveles transcripcional, postranscripcional y traduccional.
La ingeniería metabólica tradicional se ha visto reforzada por la introducción de combinaciones de genes extraños y la optimización por evolución dirigida. Esto incluye ingeniería de E. coli y levadura para la producción comercial de un precursor del fármaco antipalúdico , artemisinina . [81]
Aún no se han creado organismos completos desde cero, aunque las células vivas pueden transformarse con nuevo ADN. Varias formas permiten construir componentes de ADN sintético e incluso genomas sintéticos completos , pero una vez que se obtiene el código genético deseado, se integra en una célula viva que se espera que manifieste las nuevas capacidades o fenotipos deseados mientras crece y prospera. [82] La transformación celular se utiliza para crear circuitos biológicos , que pueden manipularse para producir los resultados deseados. [18] [19]
Al integrar la biología sintética con la ciencia de los materiales , sería posible utilizar células como fundiciones moleculares microscópicas para producir materiales con propiedades cuyas propiedades estuvieran codificadas genéticamente. La reingeniería ha producido fibras Curli, el componente amiloide del material extracelular de biopelículas , como plataforma para nanomateriales programables . Estas nanofibras se construyeron genéticamente para funciones específicas, incluida la adhesión a sustratos, la creación de plantillas de nanopartículas y la inmovilización de proteínas. [83]
Proteínas diseñadas
Las proteínas naturales se pueden diseñar, por ejemplo, mediante evolución dirigida , se pueden producir nuevas estructuras de proteínas que coincidan o mejoren la funcionalidad de las proteínas existentes. Un grupo generó un haz de hélice que era capaz de unir oxígeno con propiedades similares a la hemoglobina , pero que no se unía al monóxido de carbono . [85] Se generó una estructura de proteína similar para soportar una variedad de actividades oxidorreductasa [86] mientras que otra formaba una ATPasa estructural y secuencialmente nueva . [87] Otro grupo generó una familia de receptores acoplados a proteína G que podrían ser activados por la molécula pequeña inerte de N-óxido de clozapina pero insensibles al ligando nativo , acetilcolina ; estos receptores se conocen como DREADD . [88] Las nuevas funcionalidades o la especificidad de las proteínas también se pueden diseñar utilizando enfoques computacionales. Un estudio pudo utilizar dos métodos computacionales diferentes: un método de modelado molecular y bioinformático para extraer bases de datos de secuencias, y un método de diseño de enzimas computacionales para reprogramar la especificidad de las enzimas. Ambos métodos dieron como resultado enzimas diseñadas con una especificidad superior a 100 veces para la producción de alcoholes de cadena más larga a partir del azúcar. [89]
Otra investigación común es la expansión del conjunto natural de 20 aminoácidos . Excluyendo los codones de terminación , se han identificado 61 codones , pero generalmente solo se codifican 20 aminoácidos en todos los organismos. Ciertos codones están diseñados para codificar aminoácidos alternativos que incluyen: aminoácidos no estándar como O-metil tirosina ; o aminoácidos exógenos tales como 4-fluorofenilalanina. Por lo general, estos proyectos hacen uso de pares de ARNt supresor sin sentido codificado - Aminoacil ARNt sintetasa de otros organismos, aunque en la mayoría de los casos se requiere ingeniería sustancial. [90]
Otros investigadores investigaron la estructura y función de las proteínas reduciendo el conjunto normal de 20 aminoácidos. Se preparan bibliotecas de secuencias de proteínas limitadas mediante la generación de proteínas en las que los grupos de aminoácidos pueden ser reemplazados por un solo aminoácido. [91] Por ejemplo, varios aminoácidos no polares dentro de una proteína pueden reemplazarse con un solo aminoácido no polar. [92] Un proyecto demostró que una versión diseñada de Chorismate mutasa todavía tenía actividad catalítica cuando solo se usaban 9 aminoácidos. [93]
Investigadores y empresas practican la biología sintética para sintetizar enzimas industriales con alta actividad, rendimientos óptimos y efectividad. Estas enzimas sintetizadas tienen como objetivo mejorar productos como detergentes y productos lácteos sin lactosa, además de hacerlos más rentables. [94] Las mejoras de la ingeniería metabólica mediante la biología sintética es un ejemplo de una técnica biotecnológica utilizada en la industria para descubrir productos farmacéuticos y productos químicos fermentativos. La biología sintética puede investigar los sistemas de vías modulares en la producción bioquímica y aumentar los rendimientos de la producción metabólica. La actividad enzimática artificial y los efectos subsiguientes sobre las tasas de reacción metabólica y los rendimientos pueden desarrollar "nuevas estrategias eficientes para mejorar las propiedades celulares ... para la producción bioquímica de importancia industrial". [95]
Sistemas de ácido nucleico diseñados
Los científicos pueden codificar información digital en una sola hebra de ADN sintético . En 2012, George M. Church codificó uno de sus libros sobre biología sintética en el ADN. Los 5,3 Mb de datos fueron más de 1000 veces mayores que la mayor cantidad anterior de información almacenada en el ADN sintetizado. [96] Un proyecto similar codificó los sonetos completos de William Shakespeare en ADN. [97] De manera más general, algoritmos como NUPACK, [98] ViennaRNA, [99] Ribosome Binding Site Calculator, [100] Cello, [101] y Non-Repetitive Parts Calculator [102] permiten el diseño de nuevos sistemas genéticos.
Se han desarrollado muchas tecnologías para incorporar nucleótidos y aminoácidos no naturales en ácidos nucleicos y proteínas, tanto in vitro como in vivo . Por ejemplo, en mayo de 2014, los investigadores anunciaron que habían introducido con éxito dos nuevos nucleótidos artificiales en el ADN bacteriano. Al incluir nucleótidos artificiales individuales en los medios de cultivo, pudieron intercambiar las bacterias 24 veces; no generaron ARNm ni proteínas capaces de utilizar los nucleótidos artificiales. [103] [104] [105]
Exploración espacial
La biología sintética despertó el interés de la NASA, ya que podría ayudar a producir recursos para los astronautas a partir de una cartera restringida de compuestos enviados desde la Tierra. [106] [107] [108] En Marte, en particular, la biología sintética podría conducir a procesos de producción basados en recursos locales, convirtiéndola en una poderosa herramienta en el desarrollo de puestos de avanzada tripulados con menos dependencia de la Tierra. [106] Se ha trabajado en el desarrollo de variedades de plantas que sean capaces de hacer frente al duro entorno marciano, utilizando técnicas similares a las empleadas para aumentar la resistencia a ciertos factores ambientales en los cultivos agrícolas. [109]
Vida sintética
Un tema importante en biología sintética es la vida sintética , que se ocupa de organismos hipotéticos creados in vitro a partir de biomoléculas y / o análogos químicos de las mismas . Los experimentos de vida sintética intentan sondear los orígenes de la vida , estudiar algunas de las propiedades de la vida o, de manera más ambiciosa, recrear la vida a partir de componentes no vivos ( abióticos ). La biología de la vida sintética intenta crear organismos vivos capaces de llevar a cabo funciones importantes, desde la fabricación de productos farmacéuticos hasta la desintoxicación de la tierra y el agua contaminadas. [111] En medicina, ofrece perspectivas de utilizar partes biológicas de diseño como punto de partida para nuevas clases de terapias y herramientas de diagnóstico. [111]
Una "célula artificial" viva se ha definido como una célula completamente sintética que puede capturar energía , mantener gradientes iónicos , contener macromoléculas , así como almacenar información y tener la capacidad de mutar . [112] Nadie ha podido crear una célula de este tipo. [112]
Craig Venter produjo un cromosoma bacteriano completamente sintético en 2010 , y su equipo lo introdujo en células huésped bacterianas vaciadas genómicamente. [25] Las células huésped pudieron crecer y replicarse. [113] [114] El Mycoplasma laboratorium es el único organismo vivo con genoma completamente diseñado.
El primer organismo vivo con código de ADN expandido "artificial" se presentó en 2014; el equipo usó E. coli que tenía su genoma extraído y reemplazado por un cromosoma con un código genético expandido. Los nucleósidos añadidos son d5SICS y dNaM . [105]
En mayo de 2019, los investigadores, en un esfuerzo histórico, informaron sobre la creación de una nueva forma sintética (posiblemente artificial ) de vida viable , una variante de la bacteria Escherichia coli , al reducir el número natural de 64 codones en el genoma bacteriano a 59 codones. en cambio, para codificar 20 aminoácidos . [31] [32]
En 2017 se inició la colaboración internacional de investigación Build-a-Cell a gran escala para la construcción de células vivas sintéticas, [115] seguida de organizaciones nacionales de células sintéticas en varios países, incluidos FabriCell, [116] MaxSynBio [117] y BaSyC. [118] Los esfuerzos europeos de células sintéticas se unificaron en 2019 como iniciativa SynCellEU. [119]
Plataformas de administración de medicamentos
Plataforma basada en bacterias diseñada
Las bacterias se han utilizado durante mucho tiempo en el tratamiento del cáncer. Bifidobacterium y Clostridium colonizan selectivamente los tumores y reducen su tamaño. [120] Recientemente, los biólogos sintéticos reprogramaron bacterias para detectar y responder a un estado de cáncer en particular. La mayoría de las veces, se utilizan bacterias para administrar una molécula terapéutica directamente al tumor para minimizar los efectos fuera del objetivo. Para apuntar a las células tumorales, se expresaron péptidos que pueden reconocer específicamente un tumor en las superficies de las bacterias. Los péptidos utilizados incluyen una molécula affibody que se dirige específicamente al receptor 2 del factor de crecimiento epidérmico humano [121] y una adhesina sintética . [122] La otra forma es permitir que las bacterias detecten el microambiente del tumor , por ejemplo, la hipoxia, mediante la construcción de una puerta lógica AND en las bacterias. [123] Las bacterias solo liberan moléculas terapéuticas diana en el tumor a través de la lisis [124] o del sistema de secreción bacteriana . [125] La lisis tiene la ventaja de que puede estimular el sistema inmunológico y controlar el crecimiento. Se pueden utilizar múltiples tipos de sistemas de secreción y también otras estrategias. El sistema es inducible por señales externas. Los inductores incluyen químicos, ondas electromagnéticas o de luz.
En estas terapias se aplican múltiples especies y cepas. Las bacterias más utilizadas son Salmonella typhimurium , Escherichia Coli , Bifidobacteria , Streptococcus , Lactobacillus , Listeria y Bacillus subtilis . Cada una de estas especies tiene sus propias propiedades y son exclusivas de la terapia del cáncer en términos de colonización de tejidos, interacción con el sistema inmunológico y facilidad de aplicación.
Plataforma basada en células
El sistema inmunológico juega un papel importante en el cáncer y se puede aprovechar para atacar las células cancerosas. Las terapias basadas en células se centran en inmunoterapias , sobre todo por la ingeniería de células T .
Los receptores de células T fueron diseñados y "entrenados" para detectar epítopos de cáncer . Los receptores de antígenos quiméricos (CAR) están compuestos por un fragmento de un anticuerpo fusionado con dominios de señalización de células T intracelulares que pueden activar y desencadenar la proliferación de la célula. La FDA aprobó una terapia basada en CAR de segunda generación. [ cita requerida ]
Los interruptores genéticos se diseñaron para mejorar la seguridad del tratamiento. Los interruptores de interrupción se desarrollaron para terminar la terapia en caso de que el paciente presentara efectos secundarios graves. [126] Los mecanismos pueden controlar con más precisión el sistema y detenerlo y reactivarlo. [127] [128] Dado que el número de células T es importante para la persistencia y la gravedad de la terapia, el crecimiento de las células T también se controla para marcar la eficacia y seguridad de la terapéutica. [129]
Aunque varios mecanismos pueden mejorar la seguridad y el control, las limitaciones incluyen la dificultad de inducir grandes circuitos de ADN en las células y los riesgos asociados con la introducción de componentes extraños, especialmente proteínas, en las células.
Ética
La creación de nueva vida y la manipulación de la vida existente ha suscitado preocupaciones éticas en el campo de la biología sintética y se están debatiendo activamente. [130] [131]
Las preguntas éticas comunes incluyen:
- ¿Es moralmente correcto alterar la naturaleza?
- ¿Está uno jugando a ser Dios al crear una nueva vida?
- ¿Qué sucede si un organismo sintético se escapa accidentalmente?
- ¿Qué pasa si un individuo hace un mal uso de la biología sintética y crea una entidad dañina (por ejemplo, un arma biológica)?
- ¿Quién tendrá control y acceso a los productos de la biología sintética?
- ¿Quién se beneficiará de estas innovaciones? Inversores? Pacientes médicos? Granjeros industriales?
- ¿El sistema de patentes permite patentes sobre organismos vivos? ¿Qué pasa con las partes de los organismos, como los genes de resistencia al VIH en los seres humanos? [132]
- ¿Qué pasa si una nueva creación merece un estatus moral o legal?
Los aspectos éticos de la biología sintética tienen 3 características principales: bioseguridad, bioseguridad y creación de nuevas formas de vida. [133] Otras cuestiones éticas mencionadas incluyen la regulación de nuevas creaciones, la gestión de patentes de nuevas creaciones, la distribución de beneficios y la integridad de la investigación. [134] [130]
Han surgido problemas éticos para las tecnologías de ADN recombinante y de organismos genéticamente modificados (OGM), y en muchas jurisdicciones se establecieron extensas regulaciones de ingeniería genética e investigación de patógenos. Amy Gutmann , ex directora de la Comisión Presidencial de Bioética, argumentó que deberíamos evitar la tentación de sobrerregular la biología sintética en general y la ingeniería genética en particular. Según Gutmann, "la parsimonia regulatoria es especialmente importante en las tecnologías emergentes ... donde la tentación de sofocar la innovación sobre la base de la incertidumbre y el miedo a lo desconocido es particularmente grande. Los instrumentos contundentes de restricción legal y reglamentaria pueden no solo inhibir la distribución de nuevos beneficios, pero puede ser contraproducente para la seguridad y la protección al impedir que los investigadores desarrollen salvaguardas efectivas ". [135]
La "creación" de la vida
Una cuestión ética es si es aceptable o no crear nuevas formas de vida, lo que a veces se conoce como "jugar a ser Dios". Actualmente, la creación de nuevas formas de vida que no están presentes en la naturaleza es a pequeña escala, los beneficios y peligros potenciales siguen siendo desconocidos, y la mayoría de los estudios garantizan una cuidadosa consideración y supervisión. [130] Muchos defensores expresan el gran valor potencial —para la agricultura, la medicina y el conocimiento académico, entre otros campos— de crear formas de vida artificiales. La creación de nuevas entidades podría ampliar el conocimiento científico mucho más allá de lo que se conoce actualmente del estudio de los fenómenos naturales. Sin embargo, existe la preocupación de que las formas de vida artificiales puedan reducir la "pureza" de la naturaleza (es decir, la naturaleza podría ser corrompida de alguna manera por la intervención y manipulación humanas) y potencialmente influir en la adopción de principios más similares a la ingeniería en lugar de ideales centrados en la biodiversidad y la naturaleza. A algunos también les preocupa que si una forma de vida artificial se liberara en la naturaleza, podría obstaculizar la biodiversidad al vencer a las especies naturales por recursos (similar a cómo las floraciones de algas matan a las especies marinas). Otra preocupación tiene que ver con el tratamiento ético de las entidades recién creadas si sienten dolor , sensibilidad y autopercepción. ¿Deberían otorgarse derechos morales o legales a esa vida? ¿Si es así, cómo?
Bioseguridad y biocontención
¿Qué es lo más éticamente apropiado al considerar las medidas de bioseguridad? ¿Cómo se puede evitar la introducción accidental de vida sintética en el medio natural? Se ha dado mucha consideración ética y pensamiento crítico a estas cuestiones. La bioseguridad no solo se refiere a la contención biológica; también se refiere a las medidas adoptadas para proteger al público de agentes biológicos potencialmente peligrosos. Aunque tales preocupaciones son importantes y siguen sin respuesta, no todos los productos de la biología sintética presentan preocupación por la seguridad biológica o consecuencias negativas para el medio ambiente. Se argumenta que la mayoría de las tecnologías sintéticas son benignas y son incapaces de prosperar en el mundo exterior debido a sus características "antinaturales", ya que todavía no hay un ejemplo de un microbio transgénico con una ventaja de aptitud en la naturaleza.
En general, los controles de peligros existentes , las metodologías de evaluación de riesgos y las reglamentaciones desarrolladas para los organismos modificados genéticamente (OGM) tradicionales se consideran suficientes para los organismos sintéticos. Los métodos de biocontención "extrínsecos" en un contexto de laboratorio incluyen la contención física a través de gabinetes de bioseguridad y cajas de guantes , así como equipo de protección personal . En un contexto agrícola, incluyen distancias de aislamiento y barreras de polen , similares a los métodos de biocontención de OMG . Los organismos sintéticos pueden ofrecer un mayor control de peligros porque pueden diseñarse con métodos de biocontención "intrínsecos" que limitan su crecimiento en un entorno no confinado o evitan la transferencia horizontal de genes a organismos naturales. Los ejemplos de biocontención intrínseca incluyen auxotrofia , interruptores de muerte biológicos , incapacidad del organismo para replicarse o pasar genes modificados o sintéticos a la descendencia, y el uso de organismos xenobiológicos usando bioquímica alternativa, por ejemplo, usando ácidos xenonucleicos artificiales (XNA) en lugar de ADN. . [136] [137] Con respecto a la auxotrofia, las bacterias y las levaduras pueden modificarse para que no puedan producir histidina , un aminoácido importante para toda la vida. Por lo tanto, tales organismos solo pueden cultivarse en medios ricos en histidina en condiciones de laboratorio, anulando los temores de que puedan extenderse a áreas indeseables.
Bioseguridad
Algunas cuestiones éticas se relacionan con la bioseguridad, donde las tecnologías biosintéticas podrían usarse deliberadamente para causar daño a la sociedad y / o al medio ambiente. Dado que la biología sintética plantea problemas éticos y problemas de bioseguridad, la humanidad debe considerar y planificar cómo lidiar con las creaciones potencialmente dañinas y qué tipo de medidas éticas podrían emplearse para disuadir las nefastas tecnologías biosintéticas. Sin embargo, con la excepción de la regulación de la biología sintética y las empresas de biotecnología, [138] [139] las cuestiones no se consideran nuevas porque se plantearon durante los debates anteriores sobre el ADN recombinante y los organismos modificados genéticamente (OMG) y las extensas regulaciones de la ingeniería genética y La investigación de patógenos ya está en marcha en muchas jurisdicciones. [140]
Unión Europea
El proyecto SYNBIOSAFE [141], financiado por la Unión Europea , ha publicado informes sobre cómo gestionar la biología sintética. Un documento de 2007 identificó cuestiones clave en seguridad, protección, ética y la interfaz ciencia-sociedad, que el proyecto definió como educación pública y diálogo continuo entre científicos, empresas, gobierno y especialistas en ética. [142] [143] Los problemas de seguridad clave que SYNBIOSAFE identificó involucraron la participación de empresas que venden ADN sintético y la comunidad de biohacking de biólogos aficionados. Las cuestiones éticas clave se referían a la creación de nuevas formas de vida.
Un informe posterior se centró en la bioseguridad, especialmente el llamado desafío de doble uso . Por ejemplo, si bien la biología sintética puede conducir a una producción más eficiente de tratamientos médicos, también puede conducir a la síntesis o modificación de patógenos dañinos (por ejemplo, viruela ). [144] La comunidad de biohacking sigue siendo una fuente de especial preocupación, ya que la naturaleza distribuida y difusa de la biotecnología de código abierto dificulta el seguimiento, la regulación o la mitigación de posibles preocupaciones sobre la bioseguridad y la bioseguridad. [145]
COSY, otra iniciativa europea, se centra en la percepción y la comunicación del público. [146] [147] [148] Para comunicar mejor la biología sintética y sus ramificaciones sociales a un público más amplio, COZY y SYNBIOSAFE publicaron SYNBIOSAFE , un documental de 38 minutos, en octubre de 2009. [149]
La Asociación Internacional de Biología Sintética ha propuesto la autorregulación. [150] Propone medidas específicas que la industria de la biología sintética, especialmente las empresas de síntesis de ADN, deberían implementar. En 2007, un grupo dirigido por científicos de empresas líderes en síntesis de ADN publicó un "plan práctico para desarrollar un marco de supervisión eficaz para la industria de síntesis de ADN". [138]
Estados Unidos
En enero de 2009, la Fundación Alfred P. Sloan financió el Centro Woodrow Wilson , el Centro Hastings y el Instituto J. Craig Venter para examinar la percepción pública, la ética y las implicaciones políticas de la biología sintética. [151]
Del 9 al 10 de julio de 2009, el Comité de Ciencias, Tecnología y Derecho de las Academias Nacionales convocó un simposio sobre "Oportunidades y desafíos en el campo emergente de la biología sintética". [152]
Después de la publicación del primer genoma sintético y la cobertura mediática que lo acompañaba sobre la creación de la "vida", el presidente Barack Obama estableció la Comisión Presidencial para el Estudio de Temas Bioéticos para estudiar la biología sintética. [153] La comisión convocó una serie de reuniones y emitió un informe en diciembre de 2010 titulado "Nuevas direcciones: la ética de la biología sintética y las tecnologías emergentes". La comisión declaró que "si bien el logro de Venter marcó un avance técnico significativo en la demostración de que un genoma relativamente grande podía sintetizarse con precisión y sustituirse por otro, no equivalía a la" creación de vida ". [154] Señaló que la biología sintética es un campo emergente, que crea riesgos y recompensas potenciales. La comisión no recomendó cambios de política o supervisión y pidió que se continuara financiando la investigación y nuevos fondos para el monitoreo, el estudio de las cuestiones éticas emergentes y la educación pública. [140]
La biología sintética, como una herramienta importante para los avances biológicos, da como resultado el "potencial para el desarrollo de armas biológicas, posibles impactos negativos imprevistos en la salud humana ... y cualquier impacto ambiental potencial". [155] Estos problemas de seguridad pueden evitarse regulando los usos industriales de la biotecnología a través de legislación política. Las directrices federales sobre manipulación genética están siendo propuestas por "la Comisión de Bioética del Presidente ... en respuesta a la creación anunciada de una célula autorreplicante a partir de un genoma sintetizado químicamente, presentó 18 recomendaciones no solo para regular la ciencia ... para educar el público". [155]
Oposición
El 13 de marzo de 2012, más de 100 grupos ambientales y de la sociedad civil, incluidos Amigos de la Tierra , el Centro Internacional de Evaluación de Tecnología y el Grupo ETC, emitieron el manifiesto Principios para la supervisión de la biología sintética . Este manifiesto pide una moratoria mundial sobre la liberación y el uso comercial de organismos sintéticos hasta que se establezcan regulaciones más sólidas y medidas de bioseguridad rigurosas. Los grupos piden específicamente una prohibición absoluta del uso de biología sintética en el genoma o microbioma humano . [156] [157] Richard Lewontin escribió que algunos de los principios de seguridad para la supervisión discutidos en Los principios para la supervisión de la biología sintética son razonables, pero que el principal problema con las recomendaciones del manifiesto es que "el público en general carece de capacidad para hacer cumplir cualquier realización significativa de esas recomendaciones ". [158]
Salud y seguridad
Los peligros de la biología sintética incluyen peligros de bioseguridad para los trabajadores y el público, peligros de bioseguridad derivados de la manipulación deliberada de organismos para causar daños y peligros ambientales. Los peligros para la bioseguridad son similares a los de los campos existentes de la biotecnología, principalmente la exposición a patógenos y sustancias químicas tóxicas, aunque los nuevos organismos sintéticos pueden presentar nuevos riesgos. [159] [136] Para la bioseguridad, existe la preocupación de que, en teoría, los organismos sintéticos o rediseñados puedan utilizarse para el bioterrorismo . Los riesgos potenciales incluyen la recreación de patógenos conocidos desde cero, la modificación de patógenos existentes para que sean más peligrosos y la modificación de microbios para producir bioquímicos dañinos. [160] Por último, los peligros ambientales incluyen efectos adversos sobre la diversidad biológica y los servicios de los ecosistemas , incluidos los posibles cambios en el uso de la tierra como resultado del uso agrícola de organismos sintéticos. [161] [162]
Los sistemas de análisis de riesgo existentes para los OMG generalmente se consideran suficientes para los organismos sintéticos, aunque puede haber dificultades para un organismo construido "de abajo hacia arriba" a partir de secuencias genéticas individuales. [137] [163] La biología sintética generalmente se rige por las reglamentaciones existentes para los OMG y la biotecnología en general, y cualquier reglamentación que exista para los productos comerciales posteriores, aunque en general no existen reglamentaciones en ninguna jurisdicción que sean específicas de la biología sintética. [164] [165]
Ver también
- Biología sintética ACS (revista)
- Bioingeniería
- Biomimetismo
- Curva de Carlson
- Concepto de vida quiral
- Biología Computacional
- Biomodelado computacional
- Almacenamiento de datos digitales de ADN
- Biología de la ingeniería
- Máquina internacional de ingeniería genética
- Vida no celular
- Biología sintética abierta
- Medicina regenerativa
- Inteligencia sintética
- Morfología sintética
- Virología sintética
- Sistemas y biología sintética (revista)
- Ingeniería de tejidos
- Xenobiología
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enlaces externos
- Libros de biología sintética libro de divulgación científica y libros de texto
- Resumen introductorio de biología sintética . Resumen conciso de conceptos, desarrollos y aplicaciones de biología sintética
- Artículo de descripción general colaborativa sobre biología sintética
- La controvertida startup de ADN quiere permitir que los clientes creen criaturas (2015-01-03), San Francisco Chronicle
- Está vivo, pero es vida: biología sintética y el futuro de la creación (28 de septiembre de 2016), Festival Mundial de la Ciencia