Frontera: en zonas limítrofes

JAVIER MACíA

Universitat Pompeu Fabra

RICARD SOLé

Universitat Pompeu Fabra

Presente y futuro de la Biología Sintética

Podemos entender la Biología Sintética como el diseño y fabricación de componentes y sistemas biológicos que no existen en la naturaleza, así como las técnicas que permiten introducir modificaciones en los diseños de los sistemas biológicos ya existentes. El objetivo final es la creación de nuevos organismos capaces de responder a determinados estímulos de una forma programada, controlada y fiable.

 Sin lugar a dudas, el siglo XX será recordado como el siglo de la Física, mientras que el actual siglo XXI posiblemente pasará a la historia como el siglo de la Biología. A lo largo de las últimas décadas, el crecimiento acelerado de recursos y esfuerzos técnico-científicos, así como el impacto de los últimos descubrimientos y sus implicaciones socio-económicas, DESTACADOSPerfil: Javier MacíaPerfil: Ricard Solé
colocan a la Biología en una posición dominante en el ámbito de las ciencias. Los avances en el estudio del cáncer o el cerebro prometen modificar muchas de nuestras ideas y acercarnos al origen y tratamiento de enfermedades hasta ahora invencibles. Muchos de estos avances son el resultado de mejores técnicas experimentales, pero también del desarrollo de modelos teóricos y de simulación por ordenador. Gracias a la colaboración entre investigadores, procedentes de distintas disciplinas, ha sido posible que la Biología adopte una visión cuantitativa más cercana a la Física. Este encuentro entre disciplinas antes alejadas ha llevado al desarrollo de la llamada Biología de Sistemas, una disciplina en la que se considera la complejidad biológica en términos de sistemas en interacción, alejándose así del paradigma reduccionista dominante durante el siglo XX, dominado por la visión molecular de lo vivo.




En el terreno experimental, el desarrollo de la ingeniería genética y la posibilidad de manipular no ya reacciones o elementos concretos, sino células o procesos celulares complejos, han abierto la puerta a otra disciplina que cambiará sin duda nuestro conocimiento de lo vivo y sus límites: la Biología Sintética. Podemos entender esta como el diseño y fabricación de componentes y sistemas biológicos que no existen en la naturaleza, así como las técnicas que permiten introducir modificaciones en los diseños de los sistemas biológicos ya existentes. El objetivo final es la creación de nuevos organismos capaces de responder a determinados estímulos de una forma programada, controlada y fiable. Esto es posible mediante la introducción de secuencias de ADN que codifican nuevos genes, muy a menudo procedentes de otras especies distintas de aquella sobre la que se actúa. Así, ocurre a menudo que Los avances en el estudio del cáncer o el cerebro prometen modificar muchas de nuestras ideas y acercarnos al origen y tratamiento de enfermedades hasta ahora invenciblesuna célula bacteriana es modificada genéticamente añadiendo genes extraños, ya sean estos procedentes de virus, otras bacterias o humanos. Estos nuevos genes y las nuevas regulaciones genéticas asociadas a ellos son capaces de inducir nuevos comportamientos (funciones) en las células que los reciben, permitiendo su reprogramacion.

Sin lugar a dudas la biomedicina será una de las áreas que más se beneficiarán de estos avances en campos como la terapia génica o la regeneración de tejidos. Puede incluso permitir la obtención de los denominados fármacos inteligentes, formados por una envuelta sintética que contiene una molécula diagnóstica capaz de detectar indicadores patológicos y tomar la decisión de liberar o no el fármaco. No obstante, el campo de posibles aplicaciones es tan grande como la capacidad para imaginarlo. En la Tabla I, se muestra una lista de algunas de las potenciales aplicaciones de la Biología Sintética en las que se está trabajando actualmente. Logros como la producción de biocombustibles (hidrógeno o etanol), la conversión eficiente de residuos en bioenergía o el empleo de bacterias y hongos modificados capaces de eliminar compuestos tóxicos y descontaminar los ecosistemas, son ya una realidad.

El impresionante avance en el campo de la Biología Sintética durante la última década ha sido en gran medida consecuencia de aplicar una visión propia de la ingeniería en un contexto diferente como es un sistema biológico. Concebir los circuitos genéticos como circuitos de interruptores que activan o desactivan la expresión de un gen ha permitido desarrollar dispositivos como circuitos biestables (que pueden encontrarse en dos posibles estados, como una bombilla encendida o apagada) o circuitos osciladores que a priori parecen más propios de la Electrónica que de la Biología. En la actualidad, se ha llegado a crear circuitos capaces de tomar decisiones no triviales en función de las señales que reciben del entorno de acuerdo con un programa preestablecido, algo que sin lugar a dudas podemos definir como computación. La Tabla II muestra una lista de algunos de los avances más significativos de la última década. Buena parte de estos circuitos se han inspirado en los diseños propios de la Electrónica, pese a utilizar componentes celulares, como genes o proteínas, en lugar de transistores. Aunque esta inspiración en la Electrónica ha permitido rápidos y grandes avances puede también convertirse en el cuello de botella que limite el incremento en la complejidad de los dispositivos biológicos.

Los sistemas vivos presentan unas características propias que no aparecen en los sistemas electrónicos y que fuerzan a replantear las metodologías destinadas a crear biodispositivos. Varios son los factores que en la actualidad limitan el desarrollo de dispositivos más complejos, entre los que podemos destacar i) el desconocimiento sobre muchas de las piezas (genes, proteínas, etc.) que se usan, ii) el hecho de que al introducir estas piezas que forman los circuitos dentro de una célula hace que el comportamiento de estas partes sea impredecible debido, por ejemplo, a la existencia de interacciones no controladas con otras partes de la célula, iii) las posibles Sin lugar a dudas la Biomedicina será una de las áreas que más se beneficiarán de estos avances en campos como la terapia génica o la regeneración de tejidosincompatibilidades entre distintas piezas que pueden proceder de especies diferentes, o finalmente, iv) el problema de conectar estas piezas entre sí. Precisamente este último de los problemas representa uno de los mayores retos a resolver. Mientras que en los circuitos electrónicos cada cable está físicamente separado del resto, en el entorno celular todo está entremezclado y, por tanto, cada “conexión” debe realizarse mediante un elemento bioquímico distinto, lo que limita enormemente el tamaño de los circuitos que se pueden construir. Con el objetivo de resolver estas dificultades, varios grupos de investigación han planteado diferentes aproximaciones al problema de incrementar la complejidad de los circuitos creados sin aumentar el resto de problemas asociados. La distribución de distintas partes de los circuitos entre distintos tipos celulares que coexisten parece ser una de las alternativas más prometedoras. De este modo, los circuitos biológicos no se localizarían en un único tipo celular sino que estarían distribuidos entre varios tipos celulares tales que por separado no son capaces de realizar la tarea prevista, pero que cuando se juntan pasan a actuar como un todo, logrando el objetivo deseado. Esta distribución de las tareas ente distintos tipos celulares permite reducir la manipulación genética necesaria en cada célula, minimizando así los problemas anteriormente citados y abriendo la puerta a la construcción de circuitos más complejos.




Posiblemente la combinación de nuevos principios de diseño y de los esfuerzos que se están realizando en la estandarización de piezas biocompatibles permitirán superar en un futuro próximo las actuales limitaciones. En este contexto cabe hacer una mención especial a la iniciativa del Massachusetts Institute of Technology (MIT) conocida como Registry of Parts. Se trata de una colección de cientos de piezas biológicas que pueden ser ensambladas siguiendo un procedimiento estándar para la creación de nuevos dispositivos. Multitud de grupos investigadores de todo el mundo utilizan esta colección de piezas en sus investigaciones, a la que a su vez contribuyen con nuevas aportaciones, en un ejemplo de cooperación científica internacional.

Sin embargo, más allá de los actuales limitaciones científico-técnicas y de la necesidad de nuevos enfoques no inspirados en la tecnología electrónica actual queda latente la cuestión de hasta dónde será posible llegar en este nuevo campo, cuánto de lo que hoy se especula podrá ser una realidad mañana. La respuesta a esta pregunta sigue siendo una incógnita. El físico Freeman Dyson ha apuntado correctamente que la emergencia de la Biología Sintética marca el final de la evolución darwiniana tal y como la conocíamos. Mediante una intervención en los mecanismos reguladores naturales, podemos acceder a todo un universo de posibilidades, muchas de las cuales jamás habrían sido alcanzadas por la evolución natural. Por ese mismo motivo, tal vez, seremos capaces de resolver problemas hasta ahora inabordables.

Posiblemente todavía es demasiado pronto para poder intuir en su totalidad el potencial de esta nueva disciplina. Mirando de nuevo al campo de la Electrónica como referente histórico cercano no podemos olvidar que desde el desarrollo del primer transistor en 1948 hasta la creación de los primeros dispositivos microelectrónicos comerciales a principios de los años setenta fue necesario esperar más de veinte años. Es muy probable que debamos esperar 10 o 15 años para que la Biología Sintética llegue a un nivel de desarrollo suficiente para su aplicación directa en campos como la Biomedicina o las aplicaciones de biorremediación medioambiental. De lo que no cabe duda es de que estamos asistiendo y participando activamente en una de las revoluciones científicas y tecnológicas que decidirán el curso del conocimiento futuro.

Perfil: Javier Macía


Doctor en Ciencias Físicas por la Universidad de Barcelona. Actualmente ejerce de Profesor en el Departamento de Ciencias Experimentales y de la Salud de la Universitat Pompeu Fabra (Barcelona) y trabaja en el laboratorio de Sistemas Complejos, dirigido por el doctor Ricard Solé.

Pese a que los ámbitos de investigación en los que participa son diversos pueden enmarcarse en el campo de la Biología de Sintética y de Sistemas. Más específicamente su investigación se centra en sistemas de computación no convencionales, y concretamente en sistemas vivos desde un punto de vista tanto teórico como de implementación experimental. Asimismo, trabaja en el estudio de comportamientos colectivos inducidos sintéticamente en bacterias mediante modificaciones genéticas. En los últimos años ha participado en proyectos europeos dedicados a los desarrollos de la primera protocélula sintética (PACE Project) y de circuitos computacionales formados por células modificadas genéticamente.

Perfil: Ricard Solé


Doctor en Física por la  Universidad Politècnica de Catalunya. Profesor de la Universitat Pompeu Fabra (UPF), donde dirige el Laboratorio de Sistemas Complejos. Sus investigaciones en este campo abarcan desde la ecología teórica hasta el estudio de las redes sociales, las redes del lenguaje o las relacionadas con sistemas  tan complejos como el tráfico o Internet. Es profesor externo del Santa Fe Institute, miembro senior del Center of Astrobiology, asociado a la NASA y consejero de la European Complex Systems Society.

En 2003, sus investigaciones ,en colaboración con Ramon Ferre,  le valieron el premio Ciutat de Barcelona de Investigación Científica, por su trabajo «Least effort and the origins of scalling in human language», publicado en 2003 en la revista estadouunidense Proceedings of the nacional academy of sciences.

Publicado en Núm. 05


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