Biología Sintética

Sofía M. Álvarez Ríos

La biología sintética es la ciencia que se encarga del diseño de sistemas biológicos y de la fabricación de componentes que, ensamblados e introducidos en organismos ya existentes, dan lugar a nuevos organismos.

El potencial de la biología sintética es inmenso e inspirador, ya que esta disciplina puede llegar a tener numerosas aplicaciones en distintos campos:

  • En biomedicina destacan la síntesis in vivo de fármacos, medicina y genómica personalizada, terapia génica, reparación y regeneración de tejidos, y la terapia con células madre.
  • En ciencias ambientales las principales aplicaciones son la biorremediación, la extracción de minerales y compuestos de interés, la mejora en la seguridad de los transgénicos y los biosensores.
  • En el sector energético, destaca la producción de nuevos biocombustibles como fuente alternativa al petróleo.
  • En ingeniería tisular, la biología sintética permite obtener nuevos biomateriales para prótesis y trasplantes.
  • En procesos biotecnológicos, la aplicación más relevante es la síntesis de enzimas que permitan optimizar la producción.

Aunque actualmente algunas de estas aplicaciones todavía no se están llevando a cabo, quedan sobradamente demostradas la importancia y las posibilidades futuras de la biología sintética. George Church, uno de los padres de esta disciplina, define muy bien su gran potencial: “la biología sintética es capaz de escoger trayectorias diferentes de las que originalmente tomó la naturaleza, e incluso cuestiona algunos conceptos centrales de la evolución.”

Principales etapas de la biología sintética

Vamos a hacer un repaso por la historia de esta joven disciplina, explicando las tres etapas principales por las que ha pasado y los logros y los objetivos de cada una.

La biología sintética comenzó en los años 70, con el nacimiento y desarrollo de la ingeniería genética y la biotecnología. Fue en esta primera fase cuando se modificó por primera vez un genoma, creando así el primer Organismo Genéticamente Modificado (OGM). Este organismo era la conocida bacteria Escherichia coli, cuyo genoma se manipuló para conseguir que produjera insulina, eritropoyetina y anticuerpos monoclonales, entre otros.

La segunda fase o etapa de la biología sintética se dedicó a aplicar los conocimientos adquiridos en ingeniería genética y biotecnología, para la producción y desarrollo de nuevos fármacos, biocombustibles y alimentos genéticamente modificados.

Actualmente nos encontramos en la tercera fase. Hoy en día la biología sintética va encaminada a la síntesis artificial de genomas completos, y se espera llegar a crear especies completamente nuevas.

La primera bacteria sintética de la historia

Una de las figuras más relevantes en el campo de la biología sintética es Craig Venter.  Fundador la empresa Celera, publicó el primer borrador del genoma humano al mismo tiempo que lo hicieron los diferentes organismos públicos, como el Instituto Nacional de Salud de Estados Unidos. Además, Venter creó el instituto que lleva su nombre (Craig Venter Institute), que como veremos es responsable de muchos de los grandes avances en el área de la biología sintética.

En 2010, Venter y su equipo consiguieron crear la primera bacteria sintética de la historia.  Tras más de quince años de trabajo, lograron fabricar el genoma completo de la bacteria Mycoplasma mycoides. En este contexto, hay que entender que fabricar un genoma significa sintetizarlo por partes in vitro a partir de sus componentes químicos básicos, y posteriormente ensamblarlo. El siguiente paso consistió en eliminar el material genético de la bacteria Mycoplasma capricolum, para utilizarla como “célula recipiente”.

Por último, introdujeron el genoma de Mycoplasma mycoides en una célula de Mycoplasma capricolum, creando de esta forma la primera bacteria sintética de la historia, a la que bautizaron como Mycoplasma laboratorium o Syn1.0 (que viene de sintético 1.0). Venter patentó esta bacteria como la primera forma de vida creada por el ser humano.

El genoma mínimo

En 2016, Venter y su equipo (¿quién sino?) lograron otro importante hito, la creación del primer genoma mínimo. El genoma mínimo se define como el número de genes estrictamente necesarios para la supervivencia de un organismo. Dado que algunas plantas tienen unos cincuenta mil genes y algunas bacterias solamente quinientos, el equipo de Venter se planteó cuál es el número mínimo de genes que necesita una forma de vida independiente, por debajo del cual no podría realizar todas las funciones básicas.

Para dar respuesta a esta incógnita, partieron de la bacteria sintética que habían creado años atrás, Syn 1.0, cuyo genoma tenía 901 genes. A partir de ahí, fueron eliminando genes y comprobando la supervivencia del organismo para determinar cuáles eran prescindibles, y así consiguieron una bacteria con el genoma mínimo, llamada Syn 3.0, que tiene 473 genes codificantes.

Es sorprendente comparar el genoma de Syn 3.0, con 473 genes, con el genoma natural más pequeño conocido (perteneciente a la bacteria Mycoplasma genitalium) que cuenta con 525 genes, y ver lo cerca que están ambos en número de genes.

Para terminar, es importante entender que los conceptos de “célula mínima” y “genoma mínimo” son puramente teóricos, se han creado para explorar los límites de la genética y comprender las funciones de los genes esenciales, pero no se encuentran en la naturaleza.

El primer genoma sintético de un organismo eucariota

El siguiente hito en la creación de vida artificial tuvo lugar en 2017, cuando un grupo de científicos de varios países consiguió fabricar el primer genoma sintético de un organismo eucariota, Saccharomyces cerevisae, al que se denominó Sc2.0. El genoma sintetizado es un 8% más pequeño que el genoma natural de la levadura, ya que se han eliminado algunas regiones no codificantes del genoma.

A pesar de estos cambios, al introducir los cromosomas artificiales en la célula receptora, los genes contenidos en ellos se expresaron con normalidad. Esta capacidad de adaptación de los genes o plasticidad sugiere que será posible realizar cambios al sintetizar genomas (buscando producir ciertos compuestos, por ejemplo), y conseguir que sus genes se expresen en la célula receptora.

El genoma artificial rediseñado más largo con cambio de código genético incluido

Por último, un grupo de investigación en Biología Molecular de Cambridge ha creado la bacteria artificial con el genoma rediseñado más largo hasta la fecha. Además, esta bacteria, denominada Syn 61, utiliza por primera un código genético de 61 codones, en lugar de los 64 habituales. El nuevo genoma de Syn 61 (cepa de E.coli) hace que crezca más lento de lo normal, y que tenga una forma inusualmente alargada, pero a pesar de todo ello, es una bacteria viable.

El hecho de que una bacteria pueda utilizar tres codones menos en su código genético y aun así ser funcional, pone de manifiesto que no son necesarios tantos codones sinónimos como se creía hasta la fecha.

Tras repasar su historia reciente, podemos afirmar que la biología sintética es una de las disciplinas que arroja resultados más prometedores y sorprendentes, y parece que en ella la única limitación es la imaginación.

Enlaces de interés:

  • Luis Alonso, “Biología sintética: nueva frontera de la investigación genómica”, Investigación y Ciencia, julio 2013.
  • Venter et al., “Creation of a bacterial cell controlled by a chemically synthesized genome”, Science, julio 2010.
  • Venter et al., “Design and synthesis of a minimal bacterial genome”, Science, marzo 2016.
  • Bader et al., “Design of a synthetic yeast genome”, Science, marzo 2017.
  • Fredens et al., “Total synthesis of Escherichia coliwith a recoded genome”, Nature, mayo 2019.

 

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