viernes, 14 de julio de 2017

Modificar la vida: Biología sintética (2)

Otro ladrillo en la pared

Algunos grupos dentro de la biología sintética han puesto sus esperanzas un paso más allá: hacer accesible a cualquier persona tanto el “inventario” de piezas del rompecabezas de la vida como los procedimientos para ensamblarlas. La meta es que los avances de esta ciencia sirvan al interés de toda la sociedad.

Una de las iniciativas más audaces en esa línea es de la Fundación Biobricks (BBF), asociación no lucrativa fundada en 2006 en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), Estados Unidos, a iniciativa del biólogo e ingeniero en computación Tom Knight. Biobricks busca establecer una plataforma común con estándares técnicos para la fabricación de piezas biológicas sintéticas intercambiables, tal como se hace al construir autos o circuitos electrónicos.

“Vislumbramos un mundo en el que científicos e ingenieros trabajen juntos utilizando partes biológicas estandarizadas disponibles gratuitamente que sean seguras, éticas, efectivas y públicamente accesibles para aportar soluciones a los problemas que enfrenta la humanidad”, señala un comunicado de BBF en su página web.

El protocolo de ensamblaje 10, desarrollado por Knight y basado en el uso de enzimas de restricción, que funcionan como “tijeras moleculares” para cortar fragmentos de ADN, fue el primero en usarse. Este método permite construir —siguiendo con la analogía del juego Lego— módulos que son funcionales, pero tiene ciertas limitaciones. Por ejemplo, al ligar dos bioladrillos se producen entre ellos pares de bases “cicatriz” que no son reconocidas por las enzimas de restricción (no “encajan” completamente en el rompecabezas) lo cual impide la formación de proteínas quiméricas, es decir, resultantes de la fusión de dos o más genes que originalmente codificaban para dos proteínas distintas.

Por ello, en la última década se introdujeron otros estándares más eficaces que permiten superar los obstáculos que limitan el armado de piezas biológicas, como el Silver y el Friburgo.

El primero —introducido por la investigadora Pamela Silver, de la Universidad de Harvard y conocido también como Biofusión— permite reducir la longitud de la “cicatriz” de ocho a sólo seis “letras” del ADN, y con ello la fusión de proteínas.

El otro método, desarrollado por un grupo en la Universidad de Friburgo, Alemania, introdujo el uso de enzimas de restricción adicionales para cortar los fragmentos genéticos. Aunque conserva el tamaño de las “cicatrices” en seis pares de bases, éstas codifican otras proteínas que resultan más estables.

Otros métodos de amplificación y síntesis de ADN como el ensamblaje Gibson o el SLIC (Sequence and Ligation Independent Cloning) permiten armar múltiples partes biológicas sin necesidad de cortar o pegar segmentos, ya que no requieren enzimas de restricción, según comenta Daniel Aguilar. Tanto el método Gibson —inventado en 2009 por Daniel Gibson, del J. Craig Venter Institute— como el SLIC —desarrollado en 2007 por los investigadores Mamie Li y Stephen Elledge— hacen factible unir muchos fragmentos de ADN en una sola reacción, sin necesidad de que las piezas sean compatibles. Este último posibilita un ensamblaje más eficiente y reproducible de ADN recombinante con cinco o incluso 10 fragmentos de manera simultánea, según describen sus autores en un artículo, publicado en la revista Nature Methods en febrero de 2007.

“Con estas dos técnicas sólo se necesitan nucléotidos (las “letras” del código genético, A, C, G, T) que tengan secuencias en común con los dos pedazos que se van a pegar y luego, mediante una reacción en cadena de la polimerasa (RPC) se amplifica todo el segmento”, detalla Aguilar. La RPC permite obtener copias múltiples de fragmentos de ADN; la desarrolló el bioquímico estadounidense Kary Mullis y por ello obtuvo el premio Nobel de Química en 1993.


Reinventar la naturaleza
Tres siglos antes de nuestra era Aristóteles sostuvo que el arte imita a la vida. La ciencia del siglo XXI, a través de la biología sintética, también puede asumir esta máxima, ya que busca emular ciertas características y funciones de organismos que han sido moldeadas a lo largo de millones de años de evolución.

Pero hoy los científicos no se conforman con describir pasivamente las secuencias genéticas naturales de los organismos. Algunos de ellos, como el genetista George Church, profesor de la Escuela de Medicina en la Universidad de Harvard, ya trabajan en la “edición” y “corrección” de la vida. Church, pionero de la biología sintética y la genómica personalizada, considera que mediante la alteración dirigida del código genético y la “creación” de nucleótidos sintéticos pronto será viable modificar la vida desde sus bases mismas, generar nuevas formas de ella e incluso diseñar organismos simples y después otros complejos —incluidos los humanos— que sean resistentes a infecciones bacterianas o virales.

Suena a ciencia-ficción, pero Church está convencido de que al paso en que se reducen los costos de la clonación y secuenciación de genes y avanzan estas tecnologías, pronto sería incluso factible “revivir” especies desaparecidas, como los neandertales, como señaló en entrevista a la revista alemana Der Spiegel (18 de enero de 2013).

El genetista estadunidense —quien en los años 80 aportó el primer método directo de secuenciación genómica, que más tarde impulsaría el Proyecto del Genoma Humano— ha planteado asimismo la posibilidad de construir plantas con nucleótidos sintéticos. Estos vegetales serían más que especies exóticas: su información genética sería, por decirlo así, “incompatible” con el código de la vida que la naturaleza ha forjado en millones de años de evolución. Sus genes no podrían transferirse a otros vegetales debido a que ningún organismo natural tendría el “manual de instrucciones” para leerlos y activarlos.

Church dio a conocer en un artículo publicado en la revista Science el 15 de julio de 2011 un método para cambiar radicalmente el genoma de una bacteria, en vez de sólo realizar copias, como ha hecho el equipo de Craig Venter.




Con este procedimiento, conocido coloquialmente como intervención masiva paralela, los investigadores lograron no solamente “leer” los códigos genéticos, sino editar cientos de letras en una forma rápida y mucho menos costosa en comparación con el método de Venter, consistente en crear un genoma artificial completo, cuyo costo se estima en millones de dólares.

El equipo de Church, para seguir con la analogía de la edición, sustituyó una de las “palabras” del código genético de la bacteria Escherichia coli con otra equivalente, es decir, con una especie de sinónimo. La estructura remplazada, que está formada por una secuencia de tres nucleótidos, se denomina técnicamente codón.

Los científicos sustituyeron un codón denominado stop, que funciona como signo de puntuación pues provee las instrucciones a la maquinaria celular de la bacteria para que deje de ligar aminoácidos. Con dos métodos distintos cambiaron la secuencia TAG, que aparece 314 veces en el genoma de E. coli, por otra que contiene las “letras” TAA. Este pequeño cambio resultó inocuo, pero no insignificante: al cambiar así el código genético de la bacteria las funciones de ésta quedan intactas, pero los virus invasores —que dependen por completo de su huésped para replicarse, ya que no pueden elaborar sus propias proteínas— no podrán leer dicho código alterado ni apropiarse de la maquinaria celular.

Regulación indispensable
Al tomar el control sobre la evolución y diseñar la secuencia apropiada de letras del código genético, los científicos pretenden construir organismos a la medida, para satisfacer una gran variedad de necesidades en campos como la farmacología (vacunas, hormonas, biomarcadores), la agricultura (biocombustibles, plantas resistentes a plagas) y la ciencia de materiales (nanoestructuras con características mejoradas), entre otras.

“Estamos en un punto de la ciencia y la tecnología donde los humanos podemos duplicar y mejorar lo que la evolución ha hecho”, escribe Church en su libro Regénesis, cómo la biología sintética reinventará la naturaleza y a nosotros mismos. “Podemos convertir lo inorgánico en orgánico, leer e interpretar genomas y también modificarlos”. Pero no todo el panorama luce promisorio: tales manipulaciones han despertado temores por sus posibles riesgos y consecuencias en la salud y el medio ambiente si no son supervisadas y reguladas adecuadamente. ¿Qué sucedería, por ejemplo, si alguno de esos organismos sale del control del laboratorio o cae en manos de terroristas? ¿Cómo serían sus interacciones con el ambiente? Otro tema que preocupa es el de sus posibles efectos secundarios u otros riesgos que aún no podemos vislumbrar con claridad, dado el incipiente desarrollo de la biología sintética. Una de las grandes figuras de esta disciplina, Drew Endy, del Instituto Tecnológico de Massachusetts, ha reconocido que la misma no alcanzará todo su potencial hasta que los científicos puedan predecir con precisión cómo funcionarán los circuitos genéticos dentro de una célula.

“Desafortunadamente, nuestra habilidad para diseñar sistemas biológicos en forma rápida y confiable y que se comporten como lo esperamos sigue siendo limitada”, escribió Endy en su artículo “Fundamentos de la ingeniería biológica”, publicado en 2005 en la revista Nature.

Tales inquietudes, así como la falta de regulación internacional en la materia, han estimulado el debate y conducido a diversas organizaciones sociales y grupos ambientalistas como Amigos de la Tierra, ETC y Econexus a plantear la necesidad de establecer lineamientos y códigos para normar la labor de los biólogos sintéticos. “La biología sintética incluye muchas técnicas nuevas, experimentales, de las que se comprende muy poco, y esto incrementa en gran medida los riesgos a la salud humana, la alimentación y las formas de sustento”, señaló al respecto Helena Paul, directora de Econexus. Pero hay avances. El año pasado, durante la Doceava Conferencia de las Partes de la Organización de Naciones Unidas (COP12), celebrada en Corea, 194 países suscribieron el Convenio sobre Diversidad Biológica que contempla, entre otras cosas, establecer una regulación internacional en la materia basada en la protección al ambiente, la cooperación y la valoración científica de posibles riesgos.





Organismos a la carta

La biología sintética se define como el diseño y la construcción de sistemas biológicos y bioquímicos que realicen funciones nuevas o mejoradas, las cuales puedan aprovecharse en la producción de fármacos, vacunas y biocombustibles, entre muchas otras aplicaciones. Está sustentada en una amplia gama de disciplinas —incluida la informática— y metodologías para diseñar moléculas, construir circuitos genéticos y ensamblar organismos simples.

La Red Mundial de Academias de Ciencias (que incluye a la Mexicana de Ciencias, AMC) emitió en 2014 una declaración titulada “Concretando el potencial global en biología sintética: oportunidades científicas y buen gobierno”. En ese documento (que puede consultarse en www.interacademies. net) la Red recomienda, entre otras medidas, apoyar la investigación básica en biología sintética, además de que se revisen continuamente los aspectos éticos y las cuestiones sociales que emergen de la disciplina.

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