Biotech Spain  Técnica

Fecha de publicación: 24/02/2011

Última actualización: 29/04/2013

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La biología sintética y sus aplicaciones

La biología sintética une a ingenieros y biólogos a la hora de diseñar y construir componentes biomoleculares, redes y vías metabólicas a partir de cero, utilizando estas construcciones para reprogramar organismos. Esta ingeniería de novo de circuitos genéticos, módulos biológicos y vías sintéticas está comenzando a solucionar problemas críticos en biología y está siendo ya utilizada en aplicaciones prácticas.

 

Desde hace más de cincuenta años conocemos la peculiar forma en la cual las funciones biológicas se conectan de forma parecida a un circuito, mostrando su habilidad para procesar colectivamente operaciones lógicas. Los descubrimientos realizados en la investigación genómica y en la ingeniería genética (particularmente la tecnología del ADN recombinante), proporcionaron un cojunto de métodos y un inventario de partes biomoleculares que luego serían clave a la hora de afrontar la construcción y ensamblaje de sistemas biológicos artificiales. Había nacido la biología sintética.

 

El objetivo principal de la biología sintética es el diseño e ingeniería de circuitos biológicos, equivalentes a los circuitos electrónicos de ordenadores y dispositivos parecidos, para lograr formas lógicas de control celular. Diez años después de la descripción de los primeros dispositivos de la biología sintética (los interruptores y los osciladores), las redes biomoleculares artificiales están comenzando a moverse hacia el lado aplicado para ofrecer soluciones a muchos problemas complejos. A continuación examinamos algunas de las aplicaciones de la biología sintética.

 

Construcción de biosensores.

 

A lo largo de la evolución, las células han desarrollado una enorme cantidad de circuitos que regulan sus funciones. Entre estas funciones, destacan aquellas relacionadas con la interacción con el entorno. Los circuitos biológicos naturales que las gobiernan están formados por dos partes principales: elementos receptores, que unen analitos y determinan los niveles de detección, y módulos transductores, que filtran las señales y generan una respuesta celular. Utilizando las partes componentes de estos sistemas, la biología sintética puede construir diversos sistemas biosensores.

 

La transcripción es uno de los sistemas que las células utilizan para responder al entorno, ya que es la primera fase de la expresión génica. Por lo tanto, todos los elementos de la maquinaria de transcripción (los genes a expresaros promotores, las ARN polimerasas y los factores de transcripción) son componentes potenciales para fabricar circuitos biosensores transcripcionales.

 

Por ejemplo, podemos construir un biosensor sintético utilizando promotores (secuencias genéticas que regulan la expresión de los genes) que respondan a cambios en el entorno. Podemos utilizar estos promotores tanto en la parte sensora como en la transductora de nuestro biosensor. Los sistemas inducibles de expresión clásicos se basan en este sistema: un promotor que responde a un metabolito del entorno, controla la expresión del gen que se quiere inducir. De esta forma, si añadimos dicho metabolito, logramos la expresión del gen inducible.

 

Otra aproximación más compleja de los sensores transcripcionales se basa en la transactivación. En esta estrategia, controlamos el promotor que regula la expresión del gen de interés mediante un factor de transcripción específico. El factor de transcripción puede ser directamente sensible al entorno y estar  fusionado a un dominio de transactivación. También podemos poner la expresión del factor de transcripción bajo el control de un promotor sensible al entorno . En cualquiera de los casos, logramos modular la sensibilidad del promotor a la molécula inductora. Utilizando estrategias de este tipo se han conseguido biosensores que detectan antibióticos, moléculas de quorum sensing, gases y  metabolitos, así como cambios de temperatura.

 

Los ARN no codificantes, pero que regulan la expresión génica a nivel de traducción son también aplicables para el diseño sintético de biosensores. De hecho, muchos de estos ARN reguladores son sensores ambientales naturales. En estos casos, las estructuras tridimensionales de estos ARN son la clave.

 

Un ejemplo son los riboswitches o ribointerruptores, que unen ligandos moleculares pequeños utilizando dominios aptámeros (estructuras de ARN capaces de reconocer y unir específicamente las moléculas para las que son diseñados) e inducen cambios conformacionales en la región 5' no codificante del ARNm, influyendo en su expresión. Los aptámeros son elementos sensores muy versátiles, ya que pueden sintetizarse  con especificidades concretas (de la misma forma que los anticuerpos) y además pueden utilizarse en número y localización variables. De forma general, podemos decir que un biosensor basado en ARN requiere acoplar la función de un aptámero (el sensor) y un dominio regulador  post-transcripcional (el transductor) en un armazón modular de ARN.  Entre estos transductores destacan los ARN antisentido (que se unen específicamente a ARMm concretos inactivando su traducción) y las ribozimas, unas enzimas ARN que procesan la rotura otros ARN, muchas de las cuales incluso tienen aptámeros naturales que controlan su activación.

 

Un último tipo de biosensores se basa en el control después de la traducción. Este tipo de biosensores suelen conformarse a partir de partes protéicas, remedando los mecanismos de control existentes naturalmente en cuanto a transducción de señales. Las vías de transducción de señales son en realidad esquemas jerárquicos que utilizan elementos sensores (los receptores de membrana) y moléculas transductoras que transmiten la señal (las moléculas responsables de las cascadas de señalización). Por así decirlo, son biosensores naturales, así que podemos aprovechar sus componentes para fabricar biosensores sintéticos específicos.

 

Una forma de construir estos biosensores postraduccionales consiste en fabricar receptores nuevos a partir de los ya existentes, utilizando métodos combinatoriales de mutación y después seleccionando aquellos que reconozcan una determinada molécula que sea interesante desde el puno de vista médico o biológico. Esta estrategia ha servido para generar receptores no descritos para carcinógenos, metabolitos de interés médico y moléculas asociadas a condiciones psiquiátricas.

 

Las aproximaciones que combinan algunas o todas estas formas de control genético pueden llevar a la generación de biosensores biológicos tan fuertes y fiables como sus comtrapartidas naturales.

 

La biología sintética en terapia.

 

En poco tiempo, la biología sintética ha hecho avances prometedores en sus aplicaciones para uso terapéutico. Entre estas se incluyen el descubrimiento de nuevos fármacos y las mejoras en su producción, así como formas nuevas de tratamiento y de administración de medicamentos.

 

Desde el punto de vista terapéutico, la biología sintética es capaz de proporcionar un marco para reconstruir sistemas biológicos naturales y explorar de qué forma surgen los comportamientos patológicos en esos sistemas. En otras palabras, podemos construir un "campo de pruebas" sintético en el que estudiar un sistema natural más complejo, pudiendo averiguar las causas patológicas que hacen que funcione mal e identificando dianas terapéuticas para contrarrestarlas.

 

 Esta aproximación se ha utilizado en enfermedades congénitas como la agammaglobulinemia, una inmunodeficiencia primaria. Mediante la reconstrucción sintética del sistema de señalización del receptor de antígenos B (BCR) humano,  pudo asociarse esta enfermedad a un defecto en el gen  que codifica la Igbeta, que a su vez provoca un fallo en el ensamblaje del receptor en la membrana.  También se han reconstruido genomas virales patogénicos como el SARS, facilitando la identificación de mutaciones responsables del cambio de tropismo a humanos o de una mayor virulencia.

 

Una vez identificado el componente defectuoso de un sistema biológico, la biología sintética puede utilizarse para diseñar ensayos de rastreo para descubrir fármacos que traten el defecto. La posibilidad de montar estos sistemas en células completas permite aproximarse a las condiciones reales de utilización del fármaco y mejorar la selección de candidatos. Por ejemplo, los sistemas de selección vivos eliminan del proceso aquellos candidatos tóxicos y seleccionan aquellos que son inocuos y/o capaces de atravesar las barreras celulares para hacer su función (importante en el caso de dianas terapéuticas intracelulares).

 

También han sido desarrollados "dispositivos" sintéticos que sirven como terapia. Por ejemplo, se han utilizado virus y organismos completos programados para atacar agentes  y mecanismos patológicos. Entre estos ejemplos se incluyen bacteriófagos que combaten bacterias resistentes a antibióticos. Estos bacteriófagos han sido diseñados para incluir mecanismos genéticos que atacan los sistemas de evasión antibiótica de las bacterias. También se han construido virus y otros organismos que son capaces de detectar y unir su actividad terapéutica a señales patológicas. Tal es el caso de adenovirus diseñados para acoplar su replicación a la vía de producción de p53. Como es sabido, la producción anómala de p53 es característica de las células tumorales. Los adenovirus de este diseño sólo se replican si esta vía es defectuosa.

 

Los circuitos y vías de la biología sintética pueden ser utilizados para la liberación controlada de medicamentos. Esto es de especial importancia en aquellos casos en los que se necesita un control muy preciso de la liberación del compuesto para conseguir una ventaja terapéutica o reducir un efecto secundario adverso. Por ejemplo, la mayoría de las hormonas son liberadas en pulsos de tiempos concretos. El poder mimetizar estos patrones de liberación a la hora de suminstrar hormonas sintéticas puede reducir sus efectos secundarios y mejorar la respuesta terapéutica. Esta síntesis y liberacion periódicas pueden conseguirse con el uso de osciladores sintéticos o circuitos programados de retardo. También puede programarse el sistema para que se autodestruya después de un número definido de ciclos celulares. Ya existen ejemplos de contadores biológicos sintéticos de este tipo. Los circuitos de la biología sintética también ofrecen una posibilidad de mayor control para la terapia génica, como la habilidad de silenciar, activar o regular la expresión de genes de forma dinámica.

 

El uso de la biología sintética en la producción industrial.

 

Los microorganismos diseñados con vías biosintéticas optimizadas ofrecen formas eficientes de convertir biomasa en biocombustibles (ver tema en BiotechSpain). Estas mismas optimizaciones pueden aprovecharse para medicamentos cuyos procesos de producción limitan su capacidad para convertirse en terapias más rentables y universales.

 

La primera decisión a la hora de utilizar la biología sintética para desarrollar un sistema de biosíntesis, biomaterial o medicamento consiste en elegir la vía metabólica de la que partir. Normalmente se comienza buscando micoorganismos capaces de realizar el proceso de forma natural, para luego optimizarlos sintéticamente. Esto es debido a que las vías de síntesis originales suelen estar fuertemente reguladas de acuerdo a las necesidades del microorganismo. Por ejemplo, la vía puede ser utilizada sólo en respuesta a cambios muy drásticos en el entorno o constituir una parte minoritaria del metabolismo de la especie. Por esta razón, la utilización directa de estas vías no es posible para producciones a gran escala o de alto rendimiento. También por esta razón, uno de los principales retos en este tipo de ingeniería es determinar si es más factible mejorar artificialmente la capacidad productiva de la especie o trasladar todo el sistema biológico a un organismo productor de probada eficacia industrial, como E. coli o S. cerevisiae.

 

De forma complementaria, pueden utilizarse los principios de la biología sintética para construir nuevas vías de síntesis para controlar y mejorar la producción. Actualmente hay muchos ejemplos de aplicación exitosa de este tipo de aproximación sintética para la producción de combustibles derivados de ácidos grasos, productos químicos, medicamentos, etc

 

Las bases de la biología sintética

Biosensores sintéticos

Autor: Vicente Díaz Martínez

Permalink: https://biotechspain.com/?iid=1102tecnica&itid=5&lan=es

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