Células programables

La biología sintética empezó a desarrollarse tan sólo ocho años atrás. De hecho, es una rama de la ciencia tan nueva que todavía no tiene una definición consolidada. Una primera manera de entenderla es adoptar un punto de vista muy microscópico y fundamental, hasta cierto punto muy químico, es decir, la síntesis de nuevas moléculas (por ejemplo, nucleótidos) con significado biológico. En el otro extremo se sitúa la visión de la biología sintética, que se centra en el nivel de los organismos, lo que significa la creación de nuevas formas de vida (por ejemplo, virus).

A medio camino entre estos dos campos de investigación existe otra subdisciplina “más prometedora, desde el punto de vista de que nos puede ayudar a entender los sistemas vivos, centrada en la creación de nuevos circuitos genéticos —formados por genes y proteínas que interaccionan de forma compleja— que pueden introducirse en las células, a fin de que funcionen de modo distinto a como lo harían en su contexto original, así como en la estandarización de dichos circuitos para poder combinarlos posteriormente entre sí”, explica Jordi García Ojalvo, investigador del Departamento de Física e Ingeniería Nuclear en el Campus de Terrassa de la UPC.

Uno de los actuales objetivos de la biología es llegar a conocer cómo funcionan los circuitos genéticos que regulan la actividad de las células. Para responder a esta cuestión puede adoptarse la estrategia que escogería un ingeniero: “Si quieres entender cómo funciona algo, constrúyelo, es decir, si quieres entender cómo una célula hace algo, construye un circuito que lo haga”, puntualiza García Ojalvo. En su opinión, lo que se conoce con el nombre de ciencias duras, que hasta ahora se dedicaban a estudiar la materia inerte, puede tener un importante papel en el estudio de la materia viva.

La implicación de una persona en esta formación, que sabe cómo funcionan estos mecanismos en otros tipos de sistemas, es muy adecuada, por ejemplo, para tomar un circuito, crear un modelo matemático mediante una simulación por ordenador y analizarlo. De este modo es posible deducir cuáles son las condiciones que necesita un circuito para poder realizar una determinada cosa.

Por otra parte, en la actualidad existe un gran número de técnicas y dispositivos que todavía necesitan personas expertas en física e ingeniería que puedan desarrollarlos, como por ejemplo conseguir tener las células en un entorno bien controlado (microfluídica) u observarlas con mayor precisión (óptica). Todo ello sin olvidar los conocimientos y los datos que, evidentemente, proporciona un biólogo. Es en este sentido que se considera que la biología sintética es intrínsecamente interdisciplinaria.

Pero esta área de conocimiento no parte de cero. Ha recogido los frutos de los trabajos realizados a lo largo de las últimas décadas en campos como la ingeniería genética, la biología molecular y, más recientemente, la biología de sistemas. Concretamente, en cuanto a los avances que han permitido su desarrollo, cabe destacar el descubrimiento de la proteína verde fluorescente y su utilización como marcador, que permite estudiar numerosos procesos en todas las áreas de la biología, una técnica que ha llegado a ser rutinaria y que permite visualizar lo que hace cada célula en respuesta a alguna cosa, cuál es su estado en tiempo real.

Una versión mejorada de la naturaleza

Una de las grandes novedades que aporta esta disciplina es la interiorización de un concepto: la estandarización. Si se hiciera un símil con la electrónica, podría decirse que así como un disco duro sirve para cualquier ordenador, los circuitos genéticos se podrían introducir en cualquier célula para desarrollar una tarea concreta.

Para que todo esto pueda realizarse, en lugar de intentar entender los circuitos genéticos complejos que existen en la naturaleza, la biología sintética propone otra manera de afrontar el reto: construir circuitos genéticos tan sencillos como sea posible, entender cómo funcionan e incrementar su nivel de complejidad paso a paso. Al tratarse de circuitos sencillos, en los que sólo están implicados dos o tres genes, es posible desarrollar modelos matemáticos que no sólo permiten predecir el comportamiento de la célula con respecto al grado de producción de proteínas, sino también inducir en la célula una determinada dinámica.

Esto es precisamente lo que hizo en el año 2000 el grupo de investigación de Michael Elowitz, del California Institute of Technology, que construyó el primer oscilador o reloj genético sintético. Con este hito, que supuso el inicio de esta nueva área de conocimiento científico, se demostró que las células poseen un reloj interno, es decir, que calculan el tiempo y que se podrían sincronizar para desarrollar acciones predeterminadas.

Desde entonces, la investigación en España se lleva a cabo de la mano de grupos científicos como el de Dinámica no Lineal, Óptica no Lineal y Láseres, del Campus de Terrassa, coordinado por Ramon Vilaseca y en el que trabaja García Ojalvo, entre otros investigadores. El grupo realiza investigación en biología sintética y biología de sistemas desde hace seis años, primero teóricamente y desde hace dos años también en el ámbito experimental. El equipo desarrolla su tarea en colaboración con el grupo de Elowitz y con el de Gurol Suel, del Southwestern Medical Center de Dallas, para entender procesos de diferenciación —cómo cambian de estado— en las bacterias, los organismos modelo que permiten estudiar funciones que se dan en organismos más complejos.

El mismo equipo también colabora con el grupo de Alfonso Martínez Arias, de la University of Cambridge, para entender el proceso mediante el que las células madre embrionarias mantienen su pluripotencialidad, cuál es el mecanismo que permite que conserven la capacidad de diferenciación en cualquier tipo de célula. En este campo concreto, no utilizan la biología sintética per se, no construyen circuitos, sino que intentan analizar cómo funcionan los que ya existen en la naturaleza. Aunque, hoy por hoy, el trabajo del grupo de la UPC no está determinado por ninguna aplicación concreta, su objetivo final es llegar a controlar el comportamiento celular externamente, a voluntad.

Entender los sistemas vivos

Uno de los aspectos más destacables de la biología sintética, tal como la conciben muchos investigadores, es que puede ayudarnos a entender los organismos vivos. Desde este punto de vista, puede llegar a ser una herramienta fundamental para comprender el funcionamiento de la maquinaria celular, ya que permite ver qué puede hacerse con los componentes responsables de las funciones biológicas. De hecho, permite acercarse a la biología desde un punto de vista más cuantitativo para hacer predicciones con modelos que posteriormente tienen que comprobarse en el laboratorio.

El reto que se plantea es enorme, sobre todo si se tiene en cuenta que, por ejemplo, el genoma humano contiene unos 30.000 genes, y una célula, en torno a un millón de proteínas. Pero una célula es algo más que la suma de sus partes y su funcionamiento debe entenderse desde el punto de vista del conjunto de sus componentes. Estos genes y estas proteínas están conectados entre sí a través de millones de conexiones

Hoy por hoy, la finalidad no es otra que satisfacer la curiosidad, aumentar progresivamente el conocimiento científico sobre lo que pueden hacer cuando interaccionan y definir y caracterizar este flujo de información que determina la puesta en marcha de un proceso biológico como si se tratara de un plano.

Biorremediación

Cuando se habla de las expectativas que genera el desarrollo de la biología sintética —y sin duda una de las áreas de principal interés es la biomedicina—, los expertos remarcan que no se trata de aplicaciones a corto plazo. No obstante, ya existen ejemplos relevantes en el campo de la síntesis de nuevos medicamentos: un equipo del Lawrence Berkeley National Laboratory de California ha reconstruido en la bacteria E. coli el circuito genético encargado de la síntesis del precursor de la artemisina, un fármaco contra la malaria, con el objetivo de producirlo de forma más eficiente y a bajo coste.

Es quizás en el ámbito del medio ambiente que las aplicaciones tienen unas perspectivas de desarrollo más inminentes. Se está trabajando, por ejemplo, en el diseño de microorganismos más eficientes en la descontaminación de ecosistemas (biorremediación). En este mismo campo también se desarrollan biosensores, que son dispositivos capaces de reconocer sustancias o microorganismos de interés y de interaccionar con ellos.