Biología Sintética: la Vida en Planos y Ladrillos


Abstracción jerárquica, según la página del Registro de Partes
http://partsregistry.org/Main_Page

Imaginemos que se pueden utilizar los organismos vivos como las tuercas y los transistores de algún aparato electrónico. Así, podríamos conectar funciones que pertenecen a un organismo con las de otro de manera rutinaria e intercambiar construcciones entre sistemas. Incluso sería posible predecir el comportamiento de un sistema a partir de sus partes, como si fueran tarjetas electrónicas en las que hemos codificado un programa.


La Biología Sintética tiene precisamente ese propósito: construir artefactos controlables a partir de organismos vivos y sus constituyentes moleculares.

El punto central, sin duda, son los genes, el DNA de los organismos, ¿pero qué distingue a la Biología Sintética de la Ingeniería Genética clásica? Las diferencias fundamentales se resumen en dos aspectos: la estandarización y la cuantificación.





Estandarización
¿Qué sucedería si, de pronto, las compañías proveedoras de materiales para la construcción decidieran ponerse a producir materiales con dimensiones distintas entre sí, cada quién produciendo vigas de un tamaño diferente, tornillos distintos que no encajan en ranuras de la competencia o aparatos incompatibles con los de otras compañías? ¡El caos! Se volvería absurdamente largo el tiempo en el proceso de construcción de, por ejemplo, una casa decente… ¡y no se diga la de un avión o un edificio!

Eso es, sin embargo, lo que sucedía cotidianamente (y todavía en algunas partes) con la Ingeniería Genética: cada laboratorio quitaba y ponía genes utilizando protocolos y sitios de restricción diferentes,  de tal manera que las construcciones resultantes serían más o menos el equivalente a una obra artesanal, en la que las “recetas secretas de la casa” eran decisivas en el ensamblaje de las construcciones en un proceso biológico.

Para que la Ingeniería Genética pudiera dar un paso adelante en el trayecto en el que le aventajan las Ingenierías clásicas (Ingeniería Química, Ingeniería Mecánica y Eléctrica y la Ingeniería Civil), era necesario establecer un estándar para facilitar el proceso de construcción de sistemas biológicos; de esta manera, no solamente se facilita la elaboración de proyectos de cada vez mayor envergadura, sino que además se hace facilita la cuantificación, la representación matemática y la predicción y el diseño en los sistemas biológicos. En esto consisten los estándares de la Biología Sintética.

El Dr. Tom Knight, pionero de la estandarización
de partes biológicas. Tomado de:
http://ginkgobioworks.com/about.html

De los primeros de estos estándares en alcanzar reconocimiento como tal, fue el estándar “BioBrick” desarrollado por investigadores del MIT. En una publicación del 2003, el Dr. Tom Knight del Laboratorio de Inteligencia Artificial propuso el sistema de vectores idempotentes, es decir, vectores que poseen sitios de restricción que permiten concatenaciones sucesivas de fragmentos de DNA, utilizando un sistema estándar de sitios de restricción, pero sin que en cada paso se pierdan las partes concatenadas en la anterior. Posteriormente, en el 2008 otra publicación del MIT, por la Dra. Reshma P. Shetty, el Dr. Drew Endy y, nuevamente, el Dr. Tom Knight, este concepto de vectores idempotentes se desarrolla para la construcción de vectores y “partes” que habrán de ensamblarse bajo este formato, el cual los autores llaman el “estándar BioBrick”.


Este estándar es el primero en adoptarse y desarrollarse, y existe una serie de requisitos que debe poseer cualquier secuencia de DNA que se desee utilizar como una parte BioBrick, entre las que se encuentra, naturalmente, no contener los sitios de restricción que se utilizan exclusivamente para el funcionamiento del sistema estándar. ¿Y qué tipo de secuencias de DNA existen ya en el formato BioBrick? ¡Muchas! E incluso existe un registro en el que se catalogan y almacenan muestras de partes estándar: el Registro de Partes Biológicas Estándar, en las que además se encuentran registradas partes que siguen otros estándares, como el formato BglBricks que facilita la concatenación de dominios de proteínas.

En este registro pueden encontrarse secuencias de promotores y secuencias de unión a ribosoma con distintas potencias, genes de diversos tipos, regiones terminadoras, construcciones producidas a partir de estas partes fundamentales, e incluso los “chasises” de estos sistemas, es decir, los organismos en los que estas bio-partes habrán de funcionar. Además, el número de partes registradas crece año con año, gracias al trabajo de distintos laboratorios alrededor del mundo y también gracias a la más prestigiosa competencia internacional de Biología Sintética a nivel de pregrado: el iGEM.

Utilizando entonces un formato estándar para la concatenación de DNA funcional, es posible entonces concebir el ensamblaje de circuitos genéticos que expresen una gran variedad comportamientos, los cuales pueden ser registrados e interpretados para conformar un modelo cuantitativo, y posiblemente predictivo. Esto nos lleva al segundo aspecto que distingue a la Biología Sintética de la Ingeniería Genética clásica: la cuantificación.





Cuantificación 
¿Qué tipo de construcciones pueden hacerse con las biopartes? Comencemos con una de las más básicas: una construcción productora de una proteína. Ingredientes: un chasis biológico (que puede ser, por ejemplo, una cepa de Escherichia coli) y medio de cultivo, además de un vector de DNA, un promotor transcripcional, un sitio de unión a ribosoma, el marco de lectura del gen que deseamos expresar y una región terminadora de la transcripción.


Una vez que transformamos a la bacteria, o mejor dicho, al chasis, con esta construcción, será posible (al menos en teoría) producir la proteína codificada en el marco de lectura que elegimos.

Diagrama de un generador de proteína: 

la flecha verde simboliza un promotor transcripcional;
el óvalo verde un sitio de unión a ribosoma (RBS);
la flecha morada, un marco de lectura abierto;
mientras que el octágono, un terminador transcripcional.

¿Pero qué pasa cuando expresamos más de una proteína y  hacemos que las proteínas producidas interactúen entre sí? Entonces estamos generando entidades más complejas: los sistemas genéticos.


Estos sistemas presentan un comportamiento in vivo que pueden cuantificarse y modelarse, pues existen distintos formalismos matemáticos con los que puede representarse la expresión y la regulación genética. ¿Qué pasaría entonces si en lugar de detenernos a pensar en biopartes, pensamos en sistemas completos? Es decir, ¿qué pasaría si comenzamos a pensar en una función que deseamos y luego buscamos las partes para construirlo?

En efecto, esto es posible, pues debido a la estandarización en la Biología Sintética, uno puede abstraer y dar por sentado algunos procedimientos técnicos y de laboratorio, para concentrarse más en la función o el comportamiento que se pretende que tenga el sistema que se está diseñando. Esto es lo que se conoce como la “abstracción jerárquica”, y de esta manera es posible que una persona que esté poco versada en cuestiones de biología molecular y bacteriología, como un físico o un ingeniero mecánico, pueda diseñar su propio sistema biológico a partir del conocimiento del funcionamiento de las biopartes. Es posible, incluso, partir de un modelo abstracto, llevarlo a cabo experimentalmente y, con los datos recabados, retroalimentar al modelo original para volverlo cuantitativo y aumentar la precisión de sus predicciones.

Para esto la gran cantidad de información y las herramientas para manejarla generadas por la Biología de Sistemas, son de gran utilidad para la Biología Sintética, pues constituyen un marco de referencia para desarrollar modelos que permitan que la construcción de sistemas biológicos sintéticos sea una práctica cada vez más exacta, reproducible, y por lo tanto, controlable en un nivel cada vez más profundo.








¡Más adelante en Bio!…


The International Genetically Engineered Machine competition (iGEM), ¡conoce más sobre Biología Sintética y sus aplicaciones!











Un pensamiento en “Biología Sintética: la Vida en Planos y Ladrillos”

  1. Interesante publicación Miguel, esto parece que tendrá mucha repercusión a futuro… Imagina que por fin se logre adecuar un sistema genético en algún microorganismo, por ejemplo, para la degradación de contaminantes o ligninas, y obtener de esta forma energía.Parece tan cercano y lejano a la vez, que hay mucha tela que cortar… Saludos.

Responder

Introduce tus datos o haz clic en un icono para iniciar sesión:

Logo de WordPress.com

Estás comentando usando tu cuenta de WordPress.com. Cerrar sesión / Cambiar )

Imagen de Twitter

Estás comentando usando tu cuenta de Twitter. Cerrar sesión / Cambiar )

Foto de Facebook

Estás comentando usando tu cuenta de Facebook. Cerrar sesión / Cambiar )

Google+ photo

Estás comentando usando tu cuenta de Google+. Cerrar sesión / Cambiar )

Conectando a %s