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.

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La producción fotocatalítica de hidrógeno y las hojas artificiales

El petróleo fue la fuente de energía y el vector energético del siglo XX. Todo apunta a que el hidrógeno será el vector energético del siglo XXI gracias a la energía solar como fuente de energía. Para ello se tendrán que desarrollar sistemas de producción de hidrógeno a gran escala basados en materiales electrocatalíticos y fotoelectrocatalíticos. A partir de haluros de hidrógeno, compuestos HX, se puede generar hidrógeno (H2) por división fotocatalítica; normalmente, X=Cl (cloro) o X=Br (bromo). La reacción química (global) utilizada es 2 HX → H2 + X2, una reacción endotérmica (que necesita de un aporte de energía); para el cloro (X=Cl) se necesita un incremento en la energía libre de Gibbs de ΔG° = 131 kJ/mol y para el bromo (X=Br) ΔG° = 103 kJ/mol. Gracias un fotocatalizador oxidativo [Cat] apropiado se puede utilizar la energía solar como fuente de energía; la producción autosostenida de hidrógeno requiere desarrollar un ciclo cerrado de reacciones químicas. Los avances recientes en este campo han sido muy importantes, destacando los del grupo de investigación del Dr. Nocera en el MIT (Instituto de Tecnología de Massachusetts, Cambridge, EE.UU.). Sin embargo, aún estamos lejos para que estos avances se puedan introducir en la industria de la producción masiva de hidrógeno gracias a la energía solar. Los interesados en más detalles disfrutarán del breve artículo de Thomas S. Teets y Daniel G. Nocera, “Photocatalytic hydrogen production,” Chemical Communications 47: 9268-9274, 06 Jun 2011.

Otra de las líneas más interesantes de trabajo del grupo de Daniel Nocera es el desarrollo de hojas artificiales, reacciones químicas que imitan la fotosíntesis que utilizan las plantas para obtener energía directamente del sol. Lla electrólisis (romper una molécula de agua en hidrógeno y oxígeno) no se puede realizar con células solares fotovoltaicas porque requiere un voltaje más alto del que éstas son capaces de producir. Las hojas artificiales son unos materiales catalíticos que combinan ambas funciones, las de una célula solar y las de un sistema de electrólisis. Las primeras hojas artificiales se desarrollaron en 1998 por John Turner (Laboratorio Nacional de Energías Renovables, Boulder, Colorado), pero utilizaban materiales muy caros y su química era tan compleja que era difícil obtener sistemas estables para producción industrial. El Dr. Nocera y su grupo ha tratado de imitar a las plantas utilizando “ingeniería inversa” y han logrado las primeras hojas artificiales prácticas (baratas y fáciles de fabricar). Una especie de lámina de silicio que introducida en un vaso de agua expuesto al sol empieza a producir burbujas de hidrógenos y oxígeno; no se necesita agua ultrapura lo que permite usar fuentes naturales de agua y pone este dispositivo al alcance de muchas partes del tercer mundo. Nos lo contó Richard A. Lovett, “MIT scientist announces first “practical” artificial leaf,” Nature News Blog, March 28, 2011.

La luz solar es la fuente más abundante y sostenible de energía que dispone la humanidad. La Tierra recibe de la energía solar unos 120 000 TW (terawattios o billones de wattios), de los que unos 170 W por metro cuadrado llegan al año a la superficie de la Tierra (el número varía dependiendo de la ubicación geográfica). Aprovechar toda esta energía requiere el desarrollo de dispositivos de alta eficiencia similares a los utilizados por los organismos vivos fotosintéticos, que gracias a la mecánica cuántica alcanzan un porcentaje de fotones absorbidos de casi el 100% en condiciones óptimas, pero esto no implica que su eficiencia total sea del 100%. Se estima que las leyes de la termodinámica implican una reducción de la eficiencia a ~ 50%. Para un sistema fotovoltaico artificial se aplica el llamado límite de Shockley-Queisser de ~ 24% (en lugar del 100%),  lo que reduce la eficiencia de producción teórica a solo un ~ 12%.

Comparar la eficiencia de un sistema fotosintético con uno fotovoltaico no es fácil. Ambos procesos recogen la energía de la luz solar, pero funcionan de forma diferente y producen diferentes tipos de productos: fotosíntesis natural produce biomasa y productos químicos, mientras que un sistema fotovoltaico produce una corriente eléctrica. Una posibilidad para comparar ambos sistemas es la generación de hidrógeno (en el caso fotovoltaico mediante electrólisis del agua). El resultado muestra que la fotosíntesis es entre 2 y 3 veces más eficientes que los sistemas fotovoltaicos. Por ello, en la actualidad hay un gran interés en la investigación en la fotosíntesis artificial y en el diseño mediante biología sintética de hojas artificiales. Nos lo contó Robert E. Blankenship et al, “Comparing Photosynthetic and Photovoltaic Efficiencies and Recognizing the Potential for Improvement,” Science 332: 805-809, 13 May 2011.

Biología sintética y la bacteria E. coli como una fábrica viva para la producción de biocombustibles

Se ha publicado en Science un artículo que resuelve uno de los grandes problemas de la producción de etanol utilizando bacterias de fácil cultivo como Escherichia coli, la producción de alginato (un glúcido o hidrato de carbono) que no es digerido de forma natural por estas bacterias. Aprovechando que hay bacterias que sí son capaces de digerirlo, como las del género Vibrio, se ha incorporado un trozo (36 kilobases) del genoma de la bacteria V. splendidus en el genoma de la bacteria E. coli; esta labor de ingeniería genética ha introducido la ruta metabólica para digerir el alginato en E. coli, permitiendo su uso industrial en la producción de etanol a partir de algas marinas. El trabajo es muy prometedor y muchos medios se han hecho eco del mismo. Ya habrás leído la noticia: “bacterias transgénicas para producir biocombustible de las algas marinas” (Alicia Rivera, El País); o también “científicos del Bio Architecture Lab (EE.UU.) han modificado genéticamente la bacteria E. coli para que digiera los azúcares de las algas marrones y las convierta en etanol; así, las algas podrían ser una fuente rentable de energía” (Agencia SINC). El artículo técnico es Adam J. Wargacki et al., “An Engineered Microbial Platform for Direct Biofuel Production from Brown Macroalgae,” Science 335: 308-313, 20 January 2012.

Hay algo que se suele contar en estas noticias y que me gustaría destacar. Cuando en biología sintética se altera el genoma de una bacteria para que realice ciertas funciones (o implemente cierta ruta metabólica) con un objetivo industrial (o biomédico), normalmente, se utilizan bacterias muy primitivas porque en el metabolismo de células procariotas (como E. coli) o eucariotas (como las de levaduras) hay muchos efectos laterales y la introducción de una ruta metabólica nueva afecta a otras rutas existentes (muchas veces de maneras que los científicos no son capaces de predecir a priori). Estos efectos colaterales se tratan de eliminar, pero a veces los menos obvios son muy difíciles de descubrir y surgen cuando menos se lo espera uno. En el caso de este estudio, los investigadores no reportan ningún efecto lateral, lo que me hace sospechar, soy mal pensado por naturaleza, que o los han omitido con la intención de “no avisar a los revisores” de sus puntos flacos, o los desconocen porque no han realizado estudios específicos en suficiente profundidad. Por ello, por muy prometedor que pueda parece este avance, a mí me genera serias dudas. Espero equivocarme y que mis dudas estén infundadas, pero no le auguro un futuro muy prometedor a este interesante descubrimiento.

Biología de sistemas, biología sintética y las bacterias como biofábricas

Un vídeo curioso que nos presenta la biología de sistemas de manos de Jordi Planas y Josep Maria Serrat (profesores del Departamento de Biología de Sistemas de la Universitat de Vic). Me sorprende que una universidad española atesore un departamento de biología de sistemas, un campo emergente en la biología que se ha puesto muy de moda en los últimos 10 años. ¿Para cuándo un departamento en biología sintética? El objetivo de la biología sintética es aplicar las técnicas de diseño utilizadas en ingeniería, especialmente por la industria microelectrónica, que han sido responsables de que en 60 años un ordenador como ENIAC se haya convertido en el ordenador que utilizas para leer esto. Una iniciativa apadrinada por el MIT que ha creado el banco de “piezas” de ADN (biobricks o bioladrillos). El objetivo es que esta “piezas” puedan ser insertadas en el ADN de un organismo y permitan realizar funciones de la misma forma que las piezas de una cadena de montaje se insertan en una fábrica convencional. Quizás pueda parecer que es un objetivo muy a largo plazo, pero como nos cuenta Alla Katsnelson en “La fábrica de ADN hecha humo,” Nature News en español, 22 de julio de 2010 (traducción de “DNA factory builds up steam“), “los primeros componentes fiables para la biología sintética podrían estar disponibles a finales de año. BIOFAB (International Open Facility Advancing Biotechnology) pretende proporcionar a los biólogos sintéticos una colección de piezas genéticas que puedan utilizar en sus experimentos. Las partes biológicas –realmente secuencias de ADN– deben tener funciones predecibles y conocidas, de manera que se puedan insertar en las células para impulsar la producción de una proteína en particular, por ejemplo, o hacerla sensible a una toxina específica.

Pieza a pieza. Los biólogos sintéticos se han esforzado por estandarizar las comparaciones de cómo trabajan las distintas partes.” Por ahora, el mayor énfasis ha sido en el desarrollo de “promotores genéticos (regiones de ADN que facilitan la transcripción de los genes) y segmentos de ADN que codifican los sitios de unión al ribosoma (secuencias de ARN mensajero que controlan la traducción de proteínas) para determinar si se comportan igual en diferentes contextos celulares. […] Los investigadores determinan la actividad relativa de cada promotor con respecto a un promotor de referencia ampliamente utilizado. No es un sistema perfecto pero es un comienzo. Sin embargo, no está claro si estos instrumentos de referencia funcionarán en condiciones industriales.

En última instancia, los objetivos de BIOFAB –y de la biología sintética– deben superar algunas limitaciones básicas de este campo. “¿Hay alguna parte que funcione en la actualidad?”, preguntó un investigador en la reunión. “No creo que haya una sola parte biológica que funcione en cualquier entorno.”

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Biología sintética aplicada a la fabricación de la cerveza: enchufando y desenchufando genes para mejorar la producción

Dibujo20090520_Increasing_Activity_Promoter_Library_For_Lac_SubstitutionLas herramientas CAD (diseño asistido por computador) son utilizadas por los ingenieros para diseñar cualquier cosa, desde un palo de golf a un avión. Hoy podemos fabricar cualquier cosa diseñada en un ordenador. Los biólogos sintéticos pronto podrán hacer lo mismo. Diseñar una compleja red de genes en el ordenador y “fabricarla” (sintetizarla) en un organismo vivo, como una levadura. Enchufar y desenchufar genes a conveniencia y con parámetros a gusto del diseñador. El sueño de los biotecnólogos dedicados a la biólogía sintética. Jim Collins y sus colegas han demostrado cómo diseñar eficientemente redes sintéticas de genes para el control de procesos industriales mediados por levaduras, como la floculación de la levadura de la cerveza (proceso similar al que vemos en un bote de aceitunas por el cual se forma una capa de levaduras en la superficie del líquido dentro del bote). Han generado una librería de promotores con “actividad” variable (medida in vivo como la expresión cierto gen marcador). Si el diseño por ordenador de una red génica óptima requiere un promotor concreto, basta buscarlo en dicha librería. Un circuito electrónico complejo se diseña a base de pequeños módulos funcionales. Los autores creen que pueden implementar “casi” cualquier circuito génico utilizando sus promotores como “biobloques” (biobricks). Para ilustrar la potencia de sus técnicas de biología sintética han demostrado experimentalmente como regular la floculación de la levadura de la cerveza un proceso de gran importancia industrial (en cerveceras, claro). Nos lo cuentan Matthew R. Bennett, Jeff Hasty, “Overpowering the component problem,” News & Views, Nature Biotechnology 27: 450-451, 5 may 2009 . El artículo técnico es Tom Ellis, Xiao Wang, James J Collins, “Diversity-based, model-guided construction of synthetic gene networks with predicted functions,” Nature Biotechnology 27: 465-471, 5 may 2009 .

Dibujo20090520_Controlling_timing_yeast_sedimentation_by_predictable_gene_network

La biología sintética promete revolucionar la biotecnología mediante la aplicación de los principios del diseño CAD en ingeniería a los sistemas biológicos. En menos de una década este reciente campo ha logrado incorporarse al desarrollo de medicamentos y a la biofabricación de alimentos. El futuro de la biología sintética será el desarrollo de bancos de genes “artificiales” (sintéticos) con propiedades a medida, de tal forma que si es necesario usar un gen con cierta actividad concreta sólo sea necesario buscarlo en dicha librería e insertarlo en el ADN destino. ¿Se puede hacer? Collins y su grupo nos han mostrado no sólo que es posible sino que está al alcance de la biotecnología actual. Lo han demostrado (proof of concept) en un organismo patrón, la levadura de la cerveza (Saccharomyces cerevisiae), y con un gen “patrón”, el promotor del operón lac. No quiero destacar los detalles técnicos de este ejemplo concreto (de gran importancia industrial), sino su gran importancia como “prueba de concepto.” Diseñar in silico con garantías de éxito in vivo es un paso enorme en biología sintética y en biología en general.

Imagina un plug & play biológico. Añadir un gen que haga lo que queramos tan fácil como enchufar un lápiz de memoria en un ordenador y que se monte automáticamente. Fabricar un proceso bioindustrial a medida. Difícil imaginar lo que se podrá hacer dentro de una década.