Bacterias productoras de medicamentos, células construidas en laboratorio, vacunas sintéticas y una nariz eléctrica: la biología sintética abre un mundo completamente nuevo para los científicos. Esta rama de la ciencia, una combinación de biología, física, química y tecnología de la información, nos permite crear cosas con las que antes solo podíamos soñar. A veces, no está muy lejos de la ciencia ficción. En Wageningen University & Research (WUR) usamos biología sintética para producir más y mejores alimentos, mejorar la salud y crear un entorno más verde.
¿Qué es la biología sintética?
La biología sintética es un diseño basado en la naturaleza. “En lugar de ser una rama de la biología, como la ecología o la biología médica, es mucho más una forma de trabajar”, explica Vitor Martins dos Santos. Es el jefe del departamento de Biología Sintética de WUR. 'La biología sintética tiene similitudes con el diseño industrial. Los ingenieros diseñan un coche nuevo mejorando todo tipo de componentes individuales (motor, chasis, ruedas, carrocería) y combinándolos en mejores coches, y en biología sintética combinamos el conocimiento de proteínas, ADN, microorganismos y células en nuevas aplicaciones. A primera vista, la biología sintética tiene mucho en común con la biotecnología. 'La diferencia es que el propósito de la biotecnología es mejorar las formas de vida existentes. En biología sintética llevamos esto un paso más allá:
- Desafortunadamente, su configuración de cookies no permite que se muestren videos. - verifique su configuración
Enfoque interdisciplinario
El desarrollo de computadoras y modelos informáticos muy mejorados en los últimos años ha dado un gran impulso a la biología sintética. Ahora se sabe mucho más sobre la estructura y el comportamiento de los organismos y las moléculas que se encuentran en ellos. Hay bases de datos que contienen información sobre un gran número de bacterias: de qué viven, qué sustancias convierten y cómo están estructuradas. También existen tales bases de datos para proteínas y genes. Y el hecho de que los científicos ahora puedan aislar los genes de un organismo y colocarlos en otro les permite dar a las bacterias un gen adicional para que produzcan sustancias adicionales. Esto permite a los científicos utilizar el conocimiento de las bases de datos para combinar y simular todo tipo de cosas.
La biología sintética puede tener un impacto en la sociedad: presenta formas de mejorar la salud, resolver el problema alimentario mundial y desarrollar la sostenibilidad. La biología sintética tiene infinitas posibilidades. Pero se necesita tiempo y dinero. Hay que establecer prioridades. Para ello, los científicos investigadores de la Wageningen University & Research hablan regularmente con las personas que trabajarán con los nuevos productos. ¿Qué necesita la sociedad? ¿Qué se debe priorizar?
Al igual que otras áreas de la biotecnología, la biología sintética plantea una serie de preguntas. La biología sintética hace uso de organismos genéticamente modificados y formas de vida sintéticas, y eso nos presenta problemas éticos y sociales. Discutimos esto con nuestros grupos de interés y siempre nos preguntamos: ¿es esto realmente lo que queremos? ¿Hasta dónde se puede llegar con la modificación de organismos? ¿Es seguro desarrollar órganos sintéticos? También hay problemas de seguridad: si modifica una población de organismos (por ejemplo, mosquitos que ya no pueden transmitir la malaria), ¿cómo afecta esto al ecosistema a largo plazo? ¿Y si nuestro conocimiento cae en malas manos? Si podemos hacer virus sintéticos para usarlos como vacunas, ¿Qué impide que las personas con intenciones maliciosas utilicen el mismo conocimiento para crear virus patógenos? ¿Quien esta a cargo? Las cuestiones económicas también están involucradas: ¿quién es el propietario de las formas de vida y sustancias recién desarrolladas? ¿Quién puede ganar con ellos?
Organismos modificadores
La biología sintética se puede aplicar en varios niveles. Las bacterias a menudo tienen un papel que desempeñar en esto porque sabemos mucho sobre ellas; son fáciles de modificar genéticamente y pueden multiplicarse rápidamente. Todas las bacterias tienen sus propias propiedades específicas, que han sido claramente identificadas en las bases de datos. Un tipo de bacteria es bueno para producir nitrógeno, por ejemplo, mientras que el otro afecta la producción de hormonas de una planta. Otro es bueno para descomponer los nutrientes de nuestros alimentos y producir vitamina K en los intestinos. Esa diversidad y conocimiento integral nos presenta todo tipo de oportunidades: para nuestra producción de alimentos, nuestra salud y nuestro medio ambiente.
Estimular el crecimiento de las plantas
Theo van der Lee, por ejemplo, está trabajando con sus colegas en una forma de desarrollar la comunidad microbiana ideal para las plantas. 'Las bacterias contenidas en mohos en el suelo pueden afectar fuertemente el crecimiento de las plantas. Producen sustancias químicas como nitrógeno y fósforo del suelo, previenen ciertas enfermedades de las plantas, influyen en la producción de hormonas de la planta y promueven su crecimiento. 'Cada ambiente y cada planta necesita una composición diferente de microorganismos en el suelo. El reto consiste en encontrar la composición perfecta en un entorno determinado.' La biología sintética también podría desempeñar un papel importante en esta área. «Nuestra investigación anterior ya ha establecido qué componentes necesita una comunidad microbiana de este tipo. Podemos identificar las propiedades de los microorganismos analizando el genoma.
Bacterias productoras de medicamentos
También podemos usar bacterias para producir medicamentos. La idea es simple: encuentre o construya un gen que codifique la sustancia que necesita, construya este gen en una bacteria y deje que la bacteria se multiplique. Eso crea grandes cantidades de bacterias que pueden producir la sustancia que necesita. Esto puede sonar un poco a modificación genética . Pero es completamente diferente, explica Vitor Martins dos Santos. 'La modificación genética todavía implica mucho ensayo y error: esperar que saques el gen correcto, lo integres correctamente y, en última instancia, esperar que haga lo que quieres que haga. Eso contrasta fuertemente con la forma en que trabaja un ingeniero: comenzamos diseñando el ADN en la computadora antes de trabajar con él en el laboratorio. Esto ha sido posible gracias a todo el conocimiento que tenemos de las proteínas y los genes.'
Bacterias para el diagnóstico de enfermedades tropicales
Un equipo de estudiantes , el iGEMteam 2017, está utilizando todo el conocimiento disponible sobre bacterias, genes que promueven procesos en bacterias y reacciones químicas para un proyecto completamente nuevo y desafiante.: hacer pruebas de diagnóstico para enfermedades tropicales con la ayuda de bacterias. Las bacterias están armadas con un tipo de anticuerpo conocido como aficuerpo. Estas pequeñas moléculas reaccionan de manera altamente específica a un solo tipo de enfermedad y son fáciles de modificar. Teóricamente, se puede desarrollar un aficuerpo para cualquier enfermedad infecciosa. Las bacterias también reciben un sistema de detección. Si un aficuerpo se une a un patógeno, el sistema de detección responde transmitiendo un tipo de señal de luz que se puede medir con luz ultravioleta. Las bacterias se mantienen en un dispositivo llamado Mantis. Esto simplifica el diagnóstico de un patógeno: todo lo que tenemos que hacer es agregar una gota de sangre u orina a la bacteria. El dispositivo mide la luz ultravioleta y muestra el resultado en una pantalla.
El Mantis puede diagnosticar fácilmente enfermedades tropicales con bacterias.
El Mantis tiene una serie de ventajas sobre las pruebas de diagnóstico actuales para enfermedades tropicales. Si bien es más barato, más específico y más preciso que las pruebas actuales. Se puede adaptar con relativa facilidad a nuevos patógenos, lo que significa que se puede desarrollar rápidamente una prueba de diagnóstico eficaz si surge una nueva enfermedad.
Bacterias detectoras de contaminación
Las bacterias pueden identificar otras sustancias, como gases, de la misma manera. "Esto funciona un poco como una nariz", explica Martins dos Santos. 'La nariz contiene receptores olfativos, cada uno de los cuales reacciona a un cierto tipo de sustancia. También es posible desarrollar bacterias que reaccionen a cierto olor y luego produzcan un olor artificial.' Incluso hay bacterias que pueden detectar TNT y volverse rojas si alguna de estas sustancias explosivas está en el área. Esto significa que podemos localizar el TNT a distancia; no necesitamos ir a ningún lado cerca de él. También en este proyecto, los científicos buscan un modelo que se pueda adaptar fácilmente a cualquier sustancia.
Nuestro conocimiento del sentido del olfato nos permitirá producir una nariz artificial y programarla para detectar sustancias específicas.
Creando nuevas formas de vida
La biología sintética, sin embargo, va más allá de modificar formas de vida: también se trata de desarrollar otras nuevas. Esto implica construir virus, células y órganos en el laboratorio que puedan adaptarse a las propiedades requeridas. Eso es algo más en lo que estamos trabajando todos los días.
Virus sintéticos como vacunas
Ya llevamos muchos años utilizando virus para mejorar nuestra salud, en forma de vacunas. Podemos modificar un patógeno, como el virus de la varicela, para que ya no sea dañino para nuestra salud pero aún así nuestro sistema inmunológico lo reconozca. Esto nos permite desarrollar inmunidad y evitar enfermarnos si nos infectamos con el virus real.
- Desafortunadamente, su configuración de cookies no permite que se muestren videos. - verifique su configuración
En estos días vamos un paso más allá, explica el investigador científico Jeroen Kortekaas. "Lo que sabemos sobre la estructura de las partículas de virus y la forma ingeniosa en que los virus infectan las células nos permite desarrollar partículas similares a virus con precisamente las propiedades que queremos". Esto es bastante fácil de hacer con los virus porque en realidad consisten en una pieza de material genético en una proteína globular. 'Nosotros mismos construimos el material genético para que posea exactamente las propiedades correctas, y decidimos qué proteína colocar alrededor. Esto abre todo tipo de posibilidades, no solo para producir vacunas, sino también para la investigación. Podemos hacer que un virus se encienda si entra en una célula, por ejemplo. Eso nos permite analizar el sistema inmunológico: ¿Qué tan bueno es para combatir el virus? ¿Qué tan bien puede el cuerpo evitar que el virus ingrese a una célula?'
Una célula sintética
'El último desafío es construir una célula completa. No un simple virus, sino una célula como las que forman las personas y los animales', dice Vitor Martins dos Santos. En otoño de 2017 se puso en marcha un importante proyecto en el que participa Wageningen University & Research. El objetivo es construir una célula completamente funcional desde cero. El proyecto BaSyC (Building a Synthetic Cell) implica una asociación entre varios institutos de los Países Bajos, incluidos Wageningen University & Research, TU Delft, Groningen University, VU Amsterdam, Radboud University Nijmegen y AMOLF.
El propósito principal del proyecto es agregar al cuerpo de conocimiento. Ya se sabe mucho sobre lo que hacen las partes individuales de la célula, pero aún no entendemos cómo funcionan juntas para permitir la vida. Ese conocimiento es necesario para construir una célula. El proceso de desarrollo es característico de la biología sintética: los científicos investigadores utilizan el conocimiento actual de todo tipo de células diferentes de diferentes organismos y lo utilizan para construir una nueva célula. Esta no es una copia de un organismo existente, sino una célula única en la que las propiedades de varias formas de vida se combinan en una nueva.
"Ya se sabe mucho sobre lo que hacen las partes individuales de la célula, pero aún no entendemos cómo funcionan juntas para permitir la vida".
La construcción exitosa de una nueva celda podría abrir muchas posibilidades: podemos construir materiales nuevos, inteligentes y respetuosos con el medio ambiente en la industria de alta tecnología, y producir nuevos combustibles sostenibles y plásticos biológicamente degradables. También habrá nuevas formas de diseñar alimentos sostenibles, seguros y saludables.
Gut-on-a-chip
La biología sintética también podría ser útil para el estudio del funcionamiento de los órganos. Hans Bouwmeester y Maarten Jongsma están trabajando, cada uno a su manera, en lo que se conoce como 'gut-on-a-chip'. Los intestinos son bastante complejos porque involucran más que células intestinales, sangre y anticuerpos. Las bacterias en los intestinos también juegan un papel destacado en las funciones intestinales. Podemos usar células intestinales solas para estudiar cómo reaccionan los intestinos a ciertas sustancias. Se necesita un intestino completo para este tipo de estudio.
Es por eso que Hans Bouwmeester y su equipo están trabajando junto con científicos investigadores en Twente en un intestino en un chip: un modelo sintético de los intestinos, completo con células sanguíneas, anticuerpos, células intestinales y flora intestinal, en un plato de plástico. Simulan todos los componentes básicos de los intestinos reales donde tiene lugar el flujo de líquido. Eso nos permitirá estudiar la interacción en los intestinos entre nutrientes, microorganismos, células intestinales y sus efectos sobre el sistema inmunológico. Esto nos ayuda a registrar con precisión los efectos positivos y negativos de las sustancias. Maarten Jongsma se especializa en la detección en vivo de las respuestas de esas células a varios tratamientos. Las respuestas inmunitarias y las hormonas de la saciedad se hacen visibles de inmediato.
juegos de biologia sintetica
¿Te gustaría experimentar la biología sintética por ti mismo? ¡Ningún problema! La empresa Biofaction ha desarrollado algunos juegos, basados en proyectos de investigación reales, que te permiten trabajar como biólogo sintético:
SynMod
En este juego, desarrollas un nuevo antibiótico para eliminar patógenos.
- Ver el tráiler del juego aquí.
- El juego en sí está disponible como aplicación en App Store y Google Play.
Juego de hacer bayas
En este juego eres el propietario de una empresa emergente que produce refrescos hechos con biología sintética. Haga que su empresa sea un éxito produciendo la bebida más vendida, teniendo en cuenta los precios y la demanda del mercado.
Biología sintética