Las limitaciones de la biología sintética mediante BioBricks

Dibujo20130314 Composition of irregular transcription and translation genetic elements

El mayor problema de la biología sintética es que un gen insertado en el ADN de un organismo no se comporta siempre de la misma forma. Una solución es insertar junto al gen un promotor adecuado (una secuencia de ADN que induzca inicio de la transcripción de dicho gen). Hay muchos promotores, pero todos no se portan igual de bien para un gen concreto, como muestra un nuevo artículo que ha estudiado la acción de 77 promotores en dos genes en la bacteria procariota E. coli. Las diferencias en la expresión de dichos genes son enormes (recuerda que el ADN del gen es transcrito a ARN mensajero y luego traducido a proteínas en los ribosomas; el promotor controla la cantidad de proteína traducida de forma indirecta a través del control de lo que se transcribe). Muchos lectores dirán que el resultado era esperable, pero la doctrina de muchos biólogos sintéticos era que el promotor importa, pero poco (muy pocas veces se prueban de forma sistemática decenas de promotores). Junto a varios colegas estudié la posibilidad de diseñar un calibrador de promotores (capaz de comparar la acción de un promotor cualquiera con respecto a un promotor de referencia); no lo logramos (todo se quedó en un modelo teórico que sólo funcionaba in silico). El nuevo estudio muestra que aún no se entiende bien el funcionamiento de los promotores y cómo su acción afecta a lo que interesa, la expresión final de la proteína. El camino hacia el diseño de redes genéticas sintéticas parece más arduo y tortuoso de lo esperado. Nos lo cuenta Ewen Callaway, “DNA tool kit goes live online. Standard control sequences aim to make genetic engineering more predictable,” Nature 495: 150–151, 14 Mar 2013, que se hace eco de los artículos Vivek K Mutalik et al., “Quantitative estimation of activity and quality for collections of functional genetic elements,” Nature Methods, AOP 10 Mar 2013, y Vivek K Mutalik et al., “Precise and reliable gene expression via standard transcription and translation initiation elements,” Nature Methods, AOP 10 Mar 2013.

Dibujo20130314 Observed variation and correlation of mRNA abundance and protein fluorescence

En el estudio se han considerado siete promotores (p1 a p7) muy utilizados que se han combinado con once elementos 5′ UTR (u1 a u11) para la transcripción y traducción a proteína de dos genes gfp y rfp (cuyas proteínas son GFP y RFP). Las UTR (del inglés UnTRanslated) son regiones no traducidas del gen que se encuentran antes y después de su secuencia. Las regiones 5′ UTR se ponen en contacto con el codón de inicio de la traducción y las regiones 3′ UTR tras el último codón del gen, el codón de stop. Como muestra esta figura, la intensidad de la transcripción (abundancia de ARNm arriba) y de la traducción (medida de la proteína por fluorescencia) dependen mucho tanto del promotor como de la secuencia 5′ UTR utilizada. A la vista de estos resultados, tratar de cuantificar la acción de un promotor de forma independiente a la secuencia 5′ UTR no tiene mucho sentido; los resultados parecen casi aleatorios (confieso que para mí ha sido toda una sorpresa).

Dibujo20130314 Rules for regularizing gene expression

Dibujo20130314 Translational coupling and composition reliability

El segundo artículo estudia el efecto del diseño del elemento 5′ UTR utilizado, tanto el monoscistrónico (MCD) como el bicistrónico (BCD). Los autores han comparado 24 diseños monocistrónicos (MCD1 a MCD24) y otros tanto bicistrónicos (BCD1 a BCD2) con el mismo promotor para 14 genes diferentes (marcados al final con gfp o rfp).

Dibujo20130314 Standard translation initiation elements using a bicistronic design are reliably reusable

Los resultados de expresión de dichas proteínas medidos mediante fluorescencia muestran una gran variabilidad (mucho más de la esperada a priori), siendo menor la variabilidad en el caso del diseño bicistrónico (pero mayor de la se asume cuando se recomienda a la ligera dicho diseño).

Sin entrar en detalles técnicos, lo que nos muestran estos resultados es que la filosofía de los biobricks (“bioladrillos” o “partes”), secuencias de ADN con una estructura y función bien determinada, requiere una revisión importante. El proyecto de la BioBricks Foundation (que nació en el MIT y que lidera el proyecto iGEM en el que han participado varios grupos españoles) tiene sus pies de plomo en el fango. Las partes no se comportan igual en un organismo u otro y su expresión depende mucho del promotor y el diseño del elemento 5′ UTR utilizado. Utilizar los principios de diseño de la ingeniería (eléctrica y/o microelectrónica) en el campo de la biología sintética no es un camino de rosas como parecían prometer los avances en biología sintética de la última década. Los que hemos diseñado circuitos biológicos utilizando herramientas matemáticas y simulación in silico debemos ser conscientes de estas limitaciones.

Dibujo20130327 Quality control opens path to synthetic biology Ikea

PS (27 marzo 2013): Ha aparecido un nuevo artículo, del que se hacen eco en NewScientist,que le da la vuelta a la tortilla y habla de control de calidad aplicado a los BioBricks (el IKEA de la biología). Si la biología sintética va aprotagonizar la próxima revolución industrial, los estándares y los controles de calidad son imprescindibles. Aunque el artículo es muy optimista, me aparece necesario comentarlo para todos los lectores interesados en esta entrada. Recomiendo leer a Douglas Heaven, “Quality control opens path to synthetic biology’s Ikea,” NewScientist, 27 March 2013, que se hace eco del artículo técnico de Guillaume Cambray et al., “Measurement and modeling of intrinsic transcription terminators,” Nucl. Acids Res. First published online: March 19, 2013 [pdf open access].

Coda final. “Este post participa en la XXII edición del Carnaval de Biología, que hospeda @CEAmbiental en su blog Consultoría y Educación Ambiental.

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3 pensamientos en “Las limitaciones de la biología sintética mediante BioBricks

  1. Hace como 2 o 3 años atrás Francis me respondió con un pronóstico de 40 años a futuro para lograr mediante nanorobots medir con precisión todos los neurotransmisores de un ser humano vivo en un tiempo dado, me pregunto y pregunto a los interesados cual sería el nuevo pronóstico?

    • Roberto, si te interesa de nuevo mi opinión. A día de hoy medir con nanobots la concentración de neurotransmisores in vivo en un humano es tan difícil como lo era hace 5 años y como lo era hace 20 años. Mi pronóstico sigue siendo unos 40 años (aunque ya se sabe que sólo se puede predecir el pasado).

  2. Bueno, ya el título del artículo “Precise and reliable gene expression via standard transcription and translation initiation elements” apuntaba a la superación de esas limitaciones.

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