Biologa SintticaInforme de Vigilancia Tecnolgica

Biologa Sinttica

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BIOLOGA SINTTICA

El presente informe de Vigilancia Tecnolgica ha sido realizado en el marco del convenio de colaboracin conjunta entre Genoma Espaa y la Fundacin General de la Universidad Autnoma de Madrid (FGUAM), entidad que gestiona el Crculo de Innovacin en Biotecnologa (CIBT), perteneciente al Sistema de Promocin Regional de la Innovacin MADRID+D. Genoma Espaa y la Fundacin General de la Universidad Autnoma de Madrid (FGUAM) agradecen la colaboracin ofrecida a: Dr. Luis Serrano (EMBL Heidelberg) Dr. Vctor de Lorenzo (Centro Nacional de Biotecnologa, CNB-CSIC ) Dr. Andrs Moya (Instituto Cavanilles de Biodiversidad y Biologa Evolutiva) Dr. Pedro Fernndez de Crdoba (Universidad Politcnica de Valencia) La reproduccin parcial de este informe est autorizada bajo la premisa de incluir referencia al mismo, indicando: Biologa Sinttica. GENOMA ESPAA/CIBT-FGUAM. Genoma Espaa no se hace responsable del uso que se realice de la informacin contenida en esta publicacin. Las opiniones que aparecen en este informe corresponden a los expertos consultados y a los autores del mismo. Copyright: Fundacin Espaola para el Desarrollo de la Investigacin en Genmica y Protemica/Fundacin General de la Universidad Autnoma de Madrid. Autores: Marta Lpez (CIBT) Gema Ruiz Romero (CIBT) Paloma Mallorqun (CIBT) Miguel Vega (Genoma Espaa) Edicin: Cintia Refojo (Genoma Espaa) Referencia: GEN-ES06002 Fecha: Noviembre 2006 Depsito Legal: ISBN: 84-609-9761-8 Diseo y realizacin: Spainfo, S.A.

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BIOLOGA SINTTICA

ndice de contenido

RESUMEN EJECUTIVO

7

1. INTRODUCCIN A LA BIOLOGA SINTTICA

8

2. TECNOLOGAS DE BIOLOGA SINTTICA 2.1. 2.2. 2.3. 2.4. 2.5. Expansin del cdigo gentico Circuitos genticos Genomas mnimos Evolucin dirigida Ingeniera gentica in silico

11 12 15 19 20 22

3. APLICACIONES DE LA BIOLOGA SINTTICA 3.1. 3.2. 3.3. 3.4. 3.5. Biomedicina Medio ambiente Energa Nuevos biomateriales Procesos industriales

24 24 27 29 31 31

4. SITUACIN ACTUAL DE LA INVESTIGACIN EN BIOLOGA SINTTICA 4.1. Estados Unidos 4.2. Europa y Espaa

34 35 36

5. MODELO DE NEGOCIO DE EMPRESAS RELACIONADAS CON LA BIOLOGA SINTTICA

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6. PERSPECTIVAS FUTURAS DE LA BIOLOGA SINTTICA 6.1. Perspectivas de la Biologa Sinttica a corto plazo 6.2. Perspectivas de la Biologa Sinttica a medio plazo 6.3. Perspectivas de la Biologa Sinttica a largo plazo

40 40 41 41

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Tendencias

7. BARRERAS DE LA BIOLOGA SINTTICA

43

8. CONCLUSIONES

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ANEXOS ANEXO ANEXO ANEXO ANEXO I II III IV Proyectos de investigacin espaoles relacionados con Biologa Sinttica Principales empresas de Biologa Sinttica Resumen las diferentes tcnicas y aplicaciones de la Biologa Sinttica Microorganismos cuyo genoma ha sido secuenciado con aplicaciones en Biologa Sinttica. Ejemplos de grupos de investigacin en Biologa Sinttica

48 48 60 66 67 70

ANEXO V

GLOSARIO

80

REFERENCIAS

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BIOLOGA SINTTICA

Resumen ejecutivoEn los aos 60 los cientficos Jacob y Monod descubrieron las bases de la regulacin gentica. La cantidad de informacin procedente del genoma y la posterior decodificacin de parte de esta informacin ha permitido disear modelos de redes celulares cada vez ms sofisticadas. Estos avances han sido los impulsores de la Biologa Sinttica, en un intento por obtener clulas programables. Este objetivo requiere no slo de la descripcin de cmo los componentes ms simples de una red interactan entre s, sino tambin una comprensin de cmo estas redes interaccionan con el complejo medio ambiente celular. Cuando un grupo de estudiantes consigui que la bacteria E. coli destellase, nadie imaginaba que este logro pudiera ser tan importante. Este experimento fue diseado originariamente para que los estudiantes tuvieran los conocimientos bsicos de cmo reprogramar una bacteria, y dio lugar al nacimiento de un nuevo campo denominado Biologa Sinttica. Este nuevo campo atrae tanto a bilogos como a ingenieros, ya que para estos ltimos la Biologa Sinttica posibilitara la fabricacin de microorganismos tiles para realizar tareas que la tecnologa actual no permite, mientras que para los primeros se trata de una herramienta esencial para comprender el funcionamiento de la maquinaria celular. Al contrario que los bilogos de sistemas, quienes analizan la actividad de miles de genes y protenas, los bilogos sintticos se centran en una estrategia ms reduccionista que tiene como fin la construccin de circuitos genticos. El gran reto de la Biologa Sinttica consiste en la integracin de cada uno de los componentes de un sistema biolgico diseado para realizar una serie de operaciones, de forma que ste se comporte de una forma anloga a la maquinaria celular presente en la naturaleza. La Biologa Sinttica permitir el diseo de organismos sintticos que posean rutas metablicas anlogas a las existentes en la naturaleza, con funciones nuevas que no se encuentran en la naturaleza.

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1. Introduccin a la Biologa SintticaLa biotecnologa tradicional se define como toda aplicacin tecnolgica que utilice sistemas biolgicos y organismos vivos o sus derivados para la creacin o modificacin de productos o procesos en usos especficos 1. Por otra parte, la Ingeniera Gentica consiste en la manipulacin de la composicin gentica mediante la introduccin o eliminacin de genes especficos a travs de tcnicas de biologa molecular y ADN recombinante. En otros trminos, la Ingeniera Gentica permite la edicin del mensaje gentico, es decir, la introduccin de nuevas palabras que pueden cambiar el sentido de la frase. Cabe destacar entre sus primeros logros la produccin de la insulina o la hormona de crecimiento humanas a partir de cepas de la bacteria E.coli recombinante, sistemas que sustituiran a las fuentes alternativas que suponan su extraccin a partir de cadveres o la utilizacin de protenas homlogas de otras especies animales. El continuo avance de la Ingeniera Gentica ha supuesto el nacimiento de un nuevo campo denominado Biologa Sinttica. La Biologa Sinttica se define como la sntesis de biomolculas o ingeniera de sistemas biolgicos con funciones nuevas que no se encuentran en la naturaleza. Se trata de una nueva disciplina que, a diferencia de otras, no se basa en el estudio de la biologa de los seres vivos, sino que posee un objetivo claro, el diseo de sistemas biolgicos que no existen en la naturaleza, lo que hace que sea una disciplina que se site ms cerca de otras relacionadas con la ingeniera. Sin embargo, a pesar de ser una disciplina emergente, la expresin Biologa Sinttica no es un trmino nuevo, ya que se utiliz por primera vez en 1912 por Leduc 2. La Biologa Sinttica planta cara a los retos tecnolgicos desde una perspectiva distinta a la biotecnologa tradicional, ya que esta ltima los afronta desde una aproximacin emprica mientras que la Biologa Sinttica se enfrenta al problema de una forma sistemtica y racional. Segn el documento de referencia sobre Biologa Sinttica del VI Programa Marco de la Comisin Europea dentro de su iniciativa NEST-PATHFINDER 2005/2006 3, la Biologa Sinttica se define como una aproximacin rigurosa a la Biologa desde la Ingeniera basada en la aplicacin del diseo de sistemas a procesos biolgicos complejos. Segn este mismo documento ello implica la adaptacin a sistemas biolgicos de principios de Ingeniera basados en el diseo: el desarrollo y aplicacin de mdulos robustos, en ltima instancia estandarizados, con el fin de disear sistemas mayores cuyas funcionalidades globales sean el resultado de una combinacin racional de dichos mdulos.

Otras definiciones de Biologa Sinttica: Creacin de circuitos biolgicos a base de genes que permitan programar clulas o microorganismos. Sntesis de sistemas complejos basados en la biologa, que manifiestan funciones que no existen en la naturaleza4. Diseo y fabricacin de componentes biolgicos que no existen en la naturaleza5. Rediseo y fabricacin de sistemas biolgicos existentes en la naturaleza, a los que se les dota de nuevas capacidades6.

1

2 3

4

5,6

Definicin de Biotecnologa procedente del Convenio de Diversidad Biolgica (website: http://www.biodiv.org/convention/articles.asp). Leduc, S. La biologie synthtique. A. Poinat. Paris. 1912. Reference Document on Synthetic Biology, 2005/2006 NEST-PATHFINDER Initiatives. 6th Framework Programme, Anticipating scientific and technological needs. October, 2005. (ftp://ftp.cordis.europa.eu/pub/nest/docs/refdoc _ synbio _ oct2005.pdf). Synthetic biology. Applying engineering to Biology. Report of a NEST High-Level Expert Group. European Commission, 2005 (ftp://ftp.cordis.lu/pub/nest/docs/syntheticbiology _ b5 _ eur21796 _ en.pdf). Synthetic Biology Web (http://syntheticbiology.org).

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BIOLOGA SINTTICA

La Biologa Sinttica busca la creacin de nuevos organismos programables, es decir, la creacin de microorganismos a la carta que se comporten como pequeos ordenadores. Esta caracterstica supone una separacin de la Biologa Sinttica de otras disciplinas como la Ingeniera Gentica, ya que sta busca el diseo de organismos en base a modificaciones genticas que acten sobre una o varias funciones biolgicas o rutas metablicas de organismos ya existentes. Tal y como se expuso en la 1 Conferencia Internacional sobre Biologa Sinttica 7, el trmino Biologa Sinttica alude tanto al diseo y fabricacin de componentes y sistemas biolgicos que no existen en la naturaleza, como al diseo y fabricacin de sistemas biolgicos existentes.

Principales caractersticas de la Biologa Sinttica8: Diseo racional y sistemtico. Persigue un objetivo claro. Desarrollo in vivo. Comportamiento predecible y programable. Sinergismo.

La estrategia de la Biologa Sinttica consiste en emplear el conocimiento de los sistemas biolgicos para disear nuevos sistemas biolgicos con propiedades mejoradas o no existentes en la naturaleza. Esta estrategia es similar a la que permiti en su momento la expansin de la qumica orgnica, como nueva herramienta para la sntesis de nuevos compuestos no presentes en la naturaleza con propiedades de inters. La Biologa Sinttica necesita un marco terico que sea capaz de interpretar y predecir el comportamiento de los sistemas biolgicos, lo que se consigue a travs de Biologa de Sistemas. Esta disciplina emplea una estrategia diferente a las aproximaciones empricas tradicionales, por medio del estudio de sistemas biolgicos en sus diferentes niveles, desde clulas y redes celulares a organismos completos. La Biologa de Sistemas implica el mapeo de rutas, interaccin de protenas y genes, as como el de los circuitos de organismos a nivel celular, tisular y de organismo

completo, todo ello integrado en un modelo informtico. La Biologa de Sistemas proporciona la herramienta esencial para el desarrollo de modelos empleados en Biologa Sinttica para el diseo e ingeniera de sistemas biolgicos complejos y sus componentes. En este sentido, se puede argumentar que la Biologa Sinttica, como aproximacin desde la Ingeniera, representa la contrapartida de diseo de la Biologa de Sistemas. Por otra parte, una de las caractersticas principales de la Biologa Sinttica es su carcter interdisciplinar. Dentro de este campo emergente tienen cabida reas de investigacin y tecnologas asentadas como la sntesis y secuenciacin de ADN o la bioinformtica, siempre y cuando sean aplicadas desde el enfoque sistemtico y racional propio de la Biologa Sinttica. Las reas de investigacin que solapan con la Biologa Sinttica son resumidas en la siguiente tabla.

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Synthetic Biology 1.0, First International Meeting on Synthetic Biology, MIT, June 2004 (http://web.mit.edu/synbio/release/conference). Synthetic biology. Applying engineering to Biology. Report of a NEST High-Level Expert Group. European Commission, 2005 (ftp://ftp.cordis.lu/pub/nest/docs/syntheticbiology _ b5 _ eur21796 _ en.pdf).

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Tendencias

REAS DE INVESTIGACIN QUE SE SOLAPAN CON LA BIOLOGA SINTTICAreas de investigacin Descripcin Produccin (sntesis) o caracterizacin (secuenciacin) de la secuencia de bases que componen un fragmento de ADN. Un ejemplo es la tecnologa de microarrays que permite la secuenciacin de ADN y la sntesis in situ de oligonucletidos a altas densidades sobre soporte slido. Diseo y obtencin de nuevas protenas que formen parte de sistemas sintticos complejos. Desarrollo de materiales sintticos para uso mdico o industrial, dentro de los biomateriales podemos encontrar bioplsticos, prtesis, implantes, etc. Disciplina que busca imitar la biologa para producir un comportamiento o proceso concreto. Ejemplos son las redes neuronales o los algoritmos genticos. Miniaturizacin de procesos bioqumicos de forma que se empleen pequeas cantidades de reactivos que a su vez pueden ser realizados en paralelo sobre soportes de tipo microarray. Aplicacin de principios de ingeniera y de procedimientos de diseo para resolver problemas mdicos. Aplicacin de las tecnologas de Computacin para la gestin y el anlisis de datos biolgicos.

Sntesis y secuenciacin de ADN

Ingeniera de protenas

Biomateriales

Biomimtica

Microfludica

Bioingeniera

Bioinformtica

Tabla 1. reas de investigacin que se solapan con la Biologa Sinttica. Fuente: Elaboracin propia.

En junio de 2004, tuvo lugar el Primer Congreso sobre Biologa Sinttica en el Instituto Tecnolgico de Massachussets (MIT) 9, donde algunas de las predicciones apuntaron a que la obtencin de clulas y organismos creados mediante ingeniera sera una prctica relativamente comn de aqu a diez aos 10. As mismo, la Comisin Europea ha lanzado una iniciativa denominada NEST PATHFINDER diseada para dar impulso a la Biologa Sinttica en el mbito europeo, fomentando la interaccin entre investigadores de distintas disciplinas y el establecimiento de plataformas con el fin de materializar los resultados de las investigaciones en aplicaciones concretas. En el anteriormente mencionado documento de referencia sobre Biologa Sinttica del VI Programa Marco de la Comisin Europea se insiste en que este nuevo paradigma de la Ingeniera

aplicado a la Biologa permitir implementar el conocimiento biolgico existente en problemas biotecnolgicos de una manera mucho ms racional y sistemtica de lo que se ha llevado a cabo hasta la fecha y har posible llegar ms all en los objetivos planteados. La introduccin de principios de diseo tales como la modularidad y la estandarizacin de partes y dispositivos, de acuerdo con criterios reconocidos internacionalmente, y la adaptacin de procedimientos de diseo abstracto ya existentes a sistemas biolgicos, junto con la aparicin de nuevas tecnologas punteras que permitan el desacoplo del diseo y la fabricacin, cambiarn de manera fundamental nuestros conceptos actuales de cmo manipular sistemas biolgicos. En este sentido, la Biologa Sinttica no es, en primera instancia, una ciencia para el descubrimiento que se interese en investigar cmo funciona la naturaleza sino, en ltima instancia, una nueva manera de hacer cosas.

9 10

Biological Engineering Division, MIT (http://web.mit.edu/be/index.htm). Synthetic Biology 1.0, First International Meeting on Synthetic Biology, MIT, June 2004 (http://web.mit.edu/synbio/release/conference/).

10

BIOLOGA SINTTICA

2. Tecnologas de Biologa SintticaEn el presente apartado se pretende realizar una breve descripcin de las estrategias desarrolladas por distintos grupos de investigacin y empresas a nivel mundial, poniendo de manifiesto la creciente relevancia de las tecnologas genmicas y protemicas relacionadas con la Biologa Sinttica. El objetivo que se busca es el diseo de sistemas biolgicos con caractersticas perfeccionadas o que no existen en la naturaleza. Esto se puede conseguir mediante diferentes tecnologas que incluyen: a) la Expansin del cdigo gentico, b) el diseo de Circuitos genticos, c) el diseo de microorganismos con Genoma Mnimo, d) la Evolucin dirigida, e) la Ingeniera Gentica in silico.

CARACTERSTICAS DE LAS TECNOLOGAS PROPIAS DE BIOLOGA SINTTICATecnologa Ventajas Fabricacin de protenas sintticas con nuevos aminocidos en su secuencia con caractersticas novedosas y gran versatilidad. Diseo de microorganismos que porten un conjunto de genes cuya funcin se encuentra totalmente controlada, lo que les convertir en microorganismos programables capaces de realizar operaciones lgicas a la carta. Creacin de microorganismos artificiales como sistemas de produccin simples, eficientes, programables y modificables. Diseo de circuitos complejos que posean mltiples interacciones entre s. Desarrollo de modelos tericos que permiten predecir el comportamiento de un sistema complejo. Limitaciones No existen secuencias de bases que codifiquen para un aminocido que no exista en la naturaleza.

Expansin del cdigo gentico

Circuitos genticos

Identificacin previa de las unidades bsicas que componen los circuitos genticos.

Genoma Mnimo

Identificacin del nmero de genes mnimos y suficiente para crear organismos autnomos.

Evolucin Dirigida

Creacin de libreras de genes en microorganismos.

Ingeniera gentica in silico

Requerimiento de software muy potente. Formulacin de modelos robustos.

Tabla 2. Caractersticas de las tecnologas propias de Biologa Sinttica. Fuente: elaboracin propia.

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Tendencias

2.1. Expansin del cdigo genticoEl ADN est compuesto por 4 pares de bases nucleotdicas: A (adenina), T (timina), C (citosina) y G (guanina). Mediante un proceso denominado Transcripcin las bases nucleotdicas del ADN se transforman en ARN, que a su vez est compuesto por A (adenina), C (citosina), G (guanina) y U (uracilo) en lugar de timina. A continuacin tiene lugar la Traduccin de ARN a protenas. En este proceso, mediante combinaciones de 4 bases nucleotdicas del ARN se obtienen 64 posibles combinaciones de tres bases llamadas codones, que son especficos de un aminocido. 61 de estos codones se corresponden con los 20 aminocidos naturales, debido a que existen duplicaciones que provocan que ms de un codn codifique para un mismo aminocido. Los otros tres codones restantes se denominan codones de terminacin y constituyen seales de terminacin que interrumpen la sntesis de protenas11. Los primeros pasos en el

diseo de nuevas formas de vida consisten en el diseo de microorganismos que utilizan un cdigo gentico diferente al que actualmente emplean todas las formas de vida existentes en la tierra. Mediante la introduccin de nuevas unidades sintticas12 en su ADN, estos organismos poseeran protenas sintticas. El cdigo gentico es, por tanto, un lenguaje que emplea cuatro letras o bases que se traducen en 20 palabras o aminocidos. A pesar de este vocabulario tan limitado, estas palabras pueden emplearse en una gran variedad de frases y prrafos. La Biologa Sinttica no pretende imitar la naturaleza, sino complementarla mediante bases nucleotdicas adicionales en lo que se denomina expansin del cdigo gentico. Esta adicin de nuevas bases al ADN permitira aumentar su versatilidad y expresar protenas con propiedades novedosas13. De esta forma, si se pudieran conseguir dos bases nucleotdicas sintticas extra adems de las cuatro presentes en la naturaleza, las combinaciones de posibles codones se elevaran a 216.

Guanina Citosina

Uracilo

Adenina Timina

Purinas Pirimidinas

ADN

Codon 1ARNm

2

3

4

5

Transcripcin

Traduccin

Aminocidos

1

2

3

4

5

Fig. 1. Complementariedad de las bases nucleotdicas y cdigo gentico. Fuente: elaboracin propia.

11

12

13

Pollack, A. (2001). Scientists Are Starting to Add Letters to Lifes Alphabet, NY Times. July 24 (http://online.sfsu.edu/~rone/GEessays/DNAaltlife.html). Introduccin en el ADN de bases nucleotdicas diferentes a las cuatro bases (adenina, timina, guanina y citosina) que lo componen de forma natural. Pollack, A. (2001). Scientists Are Starting to Add Letters to Lifes Alphabet, NY Times. July 24 (http://online.sfsu.edu/~rone/GEessays/DNAaltlife.html).

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BIOLOGA SINTTICA

En 1989 un grupo de investigacin suizo cre un ADN que contena dos letras artificiales adicionales a las 4 que existen en la naturaleza. Desde entonces se han desarrollado distintas variedades de ADN artificial14. Hasta ahora, no se ha conseguido obtener genes completamente funcionales a partir de ADN artificial o alterado dentro de clulas vivas. Sin embargo, en el ao 2003, el grupo de Schultz15

del Scripps Research Institute desarroll clulas que generaban aminocidos artificiales que dieron lugar a nuevas protenas. Para ello desarrollaron un ARNt que era capaz de unirse al codn de terminacin TAG y en lugar de finalizar la traduccin del ARN a protena, incorporaba un nuevo aminocido diferente de los 20 aminocidos naturales.

Cdigo gentico (ARN mensajero)ARNt

AAA

ACC

AUU

UUU

UCC

GGC

AUU

CAG

UAG

GUC

Protena con aminocidos naturales

Protena con un aminocido incorporado

Algunos experimentos de expansin del cdigo gentico: Instituto Tecnolgico de California, Universidad de Massachussets16. Universidad de Texas, Universidad de Hong Kong17. Universidad de Munich18. Instituto de Investigacin Scripps19. Instituto de Genmica de la Fundacin de Investigacin Novartis20. Universidad de Florida21. Universidad Western Washington, Universidad de Yale22.

Fig. 2. Expansin del cdigo gentico. Fuente: Bacher, J. M., et al. (2004). Evolving new genetic codes. Trends in Ecology & Evolution, 19: 69-75.

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15 16

17 18 19 20

21

22

Switzer, C. Y., et al. (1989). Enzymatic incorporation of a new base pair into DNA and RNA. J. Am. Chem. Soc. 111, 8322-8323. Laboratorio de Schultz del Scripps Research Institute (http://schultz.scripps.edu/). Kiick, K. L. (2000). Expanding the Scope of Protein Biosynthesis by Altering the Methionyl-tRNA Synthetase Activity of a Bacterial Expression Host. Angew. Chem. Int. 39, 12:2148-2152. Bacher, J. M., et al. (2004). Evolving new genetic codes. Trends in Ecology & Evolution, 19: 69-75. Bck, A. (2001). Invading the Genetic Code. Science 20 April: 453-454. Xie, J., & Schultz, P. G. (2005). Adding amino acids to the genetic repertoire. Curr Opin Chem Biol. Dec;9(6):548-54. Dring, V., et al. (2001). Enlarging the amino acid set of E. coli by infiltration of the valine conding pathway. Science, vol. 292, 5516:501-504). Wang, L. (2001). Expanding the genetic code of E. coli, Science, vol. 292, 5516:498-500. Sismour, A. M. & Benner, S. A. (2005). The use of thymidine analogs to improve the replication of an extra DNA base pair: a synthetic biological system. Nucleic Acids Res. Sep 28;33(17):5640-6. Anthony-Cahill, S. J. & Magliery, T. J. (2002) Expanding the Natural Repertoire of Protein Structure and Function. Current Pharmaceutical Biotechnology 3, 299-315 299.

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Tendencias

Para conseguir la adicin de nuevos aminocidos es necesario especificar el lugar que ocupan en la estructura de la protena. Para ello, se ha de disear un cdigo gentico que incorpore las bases nucleotdicas sintticas en el lugar apropiado del ADN bacteriano. El principal obstculo radica en que no existe una secuencia de bases que codifique para un aminocido que no est presente en la naturaleza. Uno de los mtodos empleados para expandir el cdigo gentico consiste en la utilizacin de un codn de terminacin como cdigo gentico para la sntesis de un nuevo aminocido. En la naturaleza existen algunos ejemplos de organismos que no utilizan alguno de los codones de terminacin para finalizar la traduccin sino que en lugar de ello incorporan un aminocido. Por ejemplo, el procariota Micoplasma capricolum lee el codn de terminacin UGG como triptfano en vez de como una seal de terminacin. La estrategia de la Biologa Sinttica consiste en modificar unas enzimas clave en el proceso de traduccin, las ARN sintetasas, de tal forma que permitan la unin de aminocidos con modificaciones estructurales a otras molculas intermediarias de la transcripcin, los ARN de transferencia o ARNt. Estos ARNt portadores de aminocidos modificados no reconocern un codn de terminacin como una seal que implica el fin de la traduccin sino que por el contrario aadirn a la cadena de aminocidos el nuevo aminocido modificado, consiguiendo, de esta forma, sintetizar protenas novedosas. Esta estrategia puede fracasar si el aminocido se incorpora en un lugar destinado a detener la transcripcin. Sin embargo, algunos autores sealan que la bacteria E. coli raramente emplea el codn elegido como seal de terminacin23.

Otra estrategia encaminada a la Expansin del Cdigo Gentico se sita al nivel del ADN y consiste en la modificacin de las bases nucleotdicas existentes, como por ejemplo la adicin de anillos de benceno o el agrandamiento de la doble hlice. Las nuevas bases sintetizadas no solo han de acoplarse perfectamente a la doble hlice de ADN, sino que deben emparejarse nicamente con su base complementaria, para asegurar que la replicacin del ADN sea correcta. Varios grupos de investigacin han conseguido producir protenas con un aminocido no natural a partir de un ADN artificial (ADNx). Por el momento, estos experimentos tan slo han sido posibles in vitro debido a la dificultad que supone emplear enzimas24 naturales para la replicacin de ADN artificial, siendo sta la causa principal de la mortalidad de los microorganismos que contienen este tipo de ADN. Sin embargo, algunos grupos de investigacin aseguran haber conseguido la replicacin in vitro de ADN artificial25. Uno de los ejemplos ms caractersticos de esta tecnologa son las bases nucleotdicas artificiales desarrolladas en el laboratorio de Benner, que poseen una aplicacin clnica en tests de anlisis de secuencias de ADN, comercializados por la empresa EraGen Biosciences con una tecnologa bajo el nombre de Aegis26. Una estrategia complementaria consistira en la modificacin de la estructura de las enzimas polimerasas para conseguir que se produzca la replicacin del ADN artificial. La ingeniera de estas enzimas todava se encuentra en desarrollo, y se centran principalmente en tcnicas de mutagnesis dirigida27.

23

24

25

26

27

Xie, J., & Schultz, P. G. (2005). Adding amino acids to the genetic repertoire. Curr Opin Chem Biol. Dec;9(6):548-54. Xie, J., Schultz, P. G. (2005). An expanding genetic code. 2005 Jul;36(3):227-38. Las enzimas naturales encargadas de llevar a cabo el proceso de sntesis del ADN son las ADN polimerasas. Estas enzimas reconocen una cadena de ADN ya partir de ella son capaces de sintetizar una nueva hebra de ADN. Pollack, A. (2001). Scientists Are Starting to Add Letters to Lifes Alphabet, NY Times. July 24 (http://online.sfsu.edu/~rone/GEessays/DNAaltlife.html). Tecnologa Aegis: An Expanded Genetic Information System. EraGen Biosciences, (http://www.eragen.com/diagnostics/technology.html). Benner, S. A. (2004). Redesigning genetics. Science, vol. 306, 22:625-626.

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BIOLOGA SINTTICA

La empresa EraGen ha desarrollado una serie de test de cuantificacin de VIH y hepatitis B y C basados en ADN artificial y comercializados por Bayer28, cuya aplicacin principal radica en la monitorizacin de la enfermedad mediante la cuantificacin de la presencia del ARN viral en el plasma de los pacientes. La plataforma MultiCodePLx29 de EraGen es un sistema de determinacin genotpica con alta capacidad de procesado de muestras que busca simultneamente mutaciones predeterminadas. Se trata de un test gentico que permite analizar anomalas en el genoma del paciente, utilizando una base nucleotdica no presente en la naturaleza, la 2-deoxiisoguanosina. Otro tipo de patologas como la Fibrosis Qustica, o el Sndrome Agudo Respiratorio Severo (SARS) podran beneficiarse de esta tecnologa en forma de tests que ya se encuentran en fase preclnica30.

Fig. 3. Molcula de ADN normal (izq.) y ADNx (dcha.). Fuente: Gibbs, W. W. (2004). Synthetic life. Scientific American, April, 74-81.

2.2. Circuitos genticosLos investigadores F. Jacob y J. Monod del Instituto Pasteur describieron el primer circuito gentico hace mas de 40 aos31, consistente en un conjunto de genes que participan en la digestin de la lactosa en la bacteria E. coli. Un gen regulador denominado represor se encuentra normalmente encendido, manteniendo el metabolismo de la digestin de la lactosa inactivo. Cuando la lactosa est presente en el medio, la bacteria apaga el represor. La Biologa Sinttica tiene tambin como objetivo el diseo de bacterias que se comporten como ordenadores en miniatura, y que por tanto puedan ser programables. Los circuitos genticos formados por genes y sus reguladores se comportan de forma equivalente a circuitos electrnicos realizando operaciones Booleanas o lgicas32.

Tipos de operadores lgicos empleados en circuitos genticos: Operador NOT: emisin de una seal de salida dbil cuando se recibe una seal de entrada fuerte y viceversa. Operador AND: emisin de una seal de salida elevada cuando se recibe una seal elevada de entrada. Operador NAND (NOT+AND): este sistema puede recibir dos seales de entrada y emite una de salida, la seal de salida se emitir siempre que no se produzcan a la vez las dos seales de entrada.

28 29

30 31

32

VERSANT HIV-1/HCV/HBV RNA 3.0 Assay (bDNA) (http://www.labnews.de/en/products/pr _ assay.php). Plataforma Multicode , Eragen Biosciences - Bayer (http://www.diagnostics.bayerconosur.com/novedades/ver _ novedad.asp?id=75). Benner, S. A. (2004). Redesigning genetics. Science, vol. 306, 22:625-626. Willson, C., et al. (1964). Non-inducible mutants of the. regulator gene in the lactose system of Escherichia coli. J. Mol. Biol. 8: 582-592. Operadores lgicos o bolanos: operadores que relacionan datos binarios (cierto=1, falso =0) o de texto, con operaciones similares a las operaciones algebraicas. Un dato o una variable son booleanos si slo tienen dos posibles valores lgicos, normalmente verdadero o falso. Los operadores booleanos (AND, OR, NOT, EQV, XOR, ...) son aquellos que permiten realizar operaciones entre valores de este tipo.

15

Tendencias

En concreto, los circuitos genticos se describen mediante diagramas semejantes a los que se emplean en los circuitos elctricos, con nodos que representan a determinados genes y flechas que indican otros genes a los que regulan los primeros33.

Eventos bioqumicos

ARNm input ARNm output

Protena input

Gen

Gen

Seal lgica

0

1

1

0

Fig. 4. Operadores genticos bsicos (unidades de un circuito gentico). La concentracin de un ARNm particular representa una seal lgica. En el primer caso, el ARNm que funciona como seal de entrada o input est ausente, por lo que la clula transcribe el gen a un ARNm de salida o output. En la segunda situacin, el ARNm input est presente, por lo que ste es traducido a una protena intput, que se une especficamente al promotor del gen e impide la sntesis del ARN output. Fuente: Weiss, R., et al., (2003). Genetic circuit building blocks for cellular computation, communications, and signal processing. Natural computing, Vol.2, 1: 47-84.

Un ejemplo de circuito gentico sencillo, que ha conseguido introducirse en E. coli, estara formado por tres operadores lgicos NOT o invertidores correspondientes con tres genes diferentes. Un cuarto gen indicador se activa en presencia de la protena codificada por el gen 3, dando lugar a una seal fluorescente. Las clulas o microorganismos que posean este circuito gentico tendrn la propiedad de emitir destellos consecutivos.

La activacin de estos genes oscila entre los estados de encendido y apagado a medida que la seal se propaga por el circuito, produciendo a su vez oscilaciones peridicas en la concentracin de las protenas que codifican. La arquitectura de estos circuitos es cclica y en ellos cada gen inhibe al siguiente y es inhibido por el anterior, razn por la cual a este tipo de circuitos se les denomina osciladores34.

33 34

Feber, D. (2004). Synthetic Biology: Microbes Made to Order. Science, Vol. 303, Issue 5655, 158-161. Los sistemas oscilatorios se utilizan en ingeniera de control de sistemas como relojes para sincronizar comportamientos. Muchos organismos multicelulares utilizan relojes celulares para coordinar el comportamiento de sus clulas durante el ciclo da-noche (ritmo circadiano) o para coordinar la actividad de la clula en el ciclo celular.

16

BIOLOGA SINTTICA

150 min. Protena (output) Gen 1

ON OFF Gen 2 Gen 3 ON Protena fluorescente

Protena (output)

Regin reguladora

200 min. Gen invertidor OF Protena input = 1 Protena output = 0 Salida de informacin Gen 1 Gen 2 Gen 3

ON Protena input = 0 Protena output = 1

Gen fluorescente

Fig. 5. Operador NOT (invertidor) y ejemplo de un circuito gentico compuesto por tres invertidores. Fuente: Gibbs, W. W. (2004). Synthetic life. Scientific American, April, 74-81.

Este tipo de circuitos genticos ha sido diseado por investigadores del Instituto Tecnolgico de California (Caltech) y la Universidad Rockefeller de Nueva York, quienes construyeron un reloj gentico que han denominado repressilator35. Estudiantes de la divisin de ingeniera biolgica del Instituto Tecnolgico de Massachussets (MIT)36 han diseado otro tipo de sistemas semejantes a este oscilador capaces de emitir destellos con mayor frecuencia, o de conseguir que este comportamiento se realice de forma sincronizada, llamando a este sistema synchronator37. Posteriormente, cientficos de la Universidad de California Davis y la Universidad de Michigan, redisearon algunos circuitos genticos ya conocidos para elaborar un oscilador con menos ruido de fondo, ya que en la prctica las bacterias

emiten sus destellos a diferentes intervalos de frecuencia y el destello no se produce de forma simultnea38. Estas modificaciones permitieron disear un oscilador que tambin funcionaba como un interruptor gentico, posibilitando el apagado del circuito. Esta caracterstica es de gran relevancia ya que pone de manifiesto la necesidad de controlar el comportamiento de los circuitos genticos. Otros desarrollos similares realizados por investigadores del instituto de Ciencias Weizmann de Israel, permitieron disear un circuito que una vez introducido en la bacteria, permite activar genes de forma muy lenta e inactivarlos de forma muy rpida, recibiendo el nombre de bucle de retroalimentacin negativa. Esta propiedad es esencial para filtrar el ruido molecular en las clulas y activar los genes tan slo cuando sea necesario39.

35 36 37 38

39

Elowitz , M. B. & Leibler, S. (2000). A synthetic oscillatory network of transcriptional regulators. Nature 403:335-8. Biological Engineering Division, MIT (http://web.mit.edu/be/index.htm). Feber, D. (2004). Synthetic Biology: Microbes Made to Order. Science, Vol. 303, Issue 5655, 158-161. Atkinson, M. R., et al. (2003). Development of genetic circuitry exhibiting toggle switch or oscillatory behavior in Escherichia coli. Cell., 30;113(5):597-607 Managan, S., et al. (2003). The coherent feedforward loop serves as a sign-sensitive delay element in transcription networks, J. Mol. Biol., 334:197-204.

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Tendencias

En el MIT tambin se est trabajando en la programacin de clulas por medio de seales qumicas o luminosas, que seran detectadas por las bacterias que han sido diseadas mediante Biologa Sinttica. Idealmente, las clulas que han sido sometidas a reingeniera podran comunicarse unas con otras, permitiendo su

actuacin de forma coordinada o simultnea. Para conseguir este objetivo, estn diseando bacterias como E. coli con protenas quorum-sensing 40, que permitiran emitir y recibir seales cuando la concentracin de un compuesto llegara a un determinado nivel41.

Qu es un BioBrick? El trmino BioBrick fue acuado por la divisin de ingeniera biolgica del MIT para definir la unidad modular bsica de ADN que realiza una funcin simple. Un BioBrick es por tanto un fragmento de ADN que codifica para una parte gentica o biolgica y que, a su vez, puede ser empalmado con cualquier otro BioBrick para formar un mdulo complejo. Cada BioBrick codifica para un elemento funcional conocido, que puede ser un promotor o terminador que d lugar al comienzo y terminacin de la transcripcin respectivamente, ARN antisentido que bloquee la expresin gnica, lugares de unin al ribosoma que estimulen a las clulas a traducir el ARNm a protenas, o genes indicadores. La principal ventaja de los BioBricks es que permiten el diseo de sistemas genticos sin necesidad de conocer a priori cual ser el funcionamiento exacto del sistema. Por tanto, sera posible modificar el comportamiento de un sistema biolgico por medio de la sustitucin de diferentes partes genticas intercambiables. De esta forma ya se han identificado ms de 1.800 de estas partes genticas por el MIT, de las cuales 212 estn siendo sintetizadas o ensambladas. Esta informacin se encuentra depositada en una base de datos pblica del MIT denominada Registry of Standard Biological Parts42.

1.

E X

S P

E X

S P

Fragmentacin de 2 partes genticas

Corte en E y S

Corte en E y X

2.

E X

S

E X

S P

Mezcla y unin de las 2 partes producidas tras los cortes en puntos especficos

3.

E X

M=X+S

S PNueva parte gentica

Fig. 6. Ejemplo de construccin de partes genticas estandarizadas (BioBricks). Fuente: Addressable bacterial communication. Berkeley Engineering Deans Society (http://www.coe.berkeley.edu/giving/deans _ society/2005/IGEM.pdf).

40

41 42

Quorum Sensing o percepcin de quorum: mecanismo regulador descrito en ciertas bacterias, cuya seal desencadenante depende de que stas alcancen en su medio una densidad celular umbral. Feber, D. (2004). Synthetic Biology: Microbes Made to Order. Science, Vol. 303, Issue 5655, 158-161 Registry of Standard Biological Parts, MIT (http://parts.mit.edu).

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BIOLOGA SINTTICA

2.3 Genoma mnimoPara lograr construir microorganismos artificiales es necesario un requisito previo, identificar la configuracin mnima de genes necesarios para permitir a las clulas artificiales replicarse de manera autnoma, es decir, su genoma mnimo terico. Estos hasta ahora hipotticos microorganismos podran derivarse de microorganismos naturales con una mnima coleccin de genes (microorganismos mnimos) o podran ser generados de un modo totalmente sinttico usando un grupo de genes esenciales (microorganismos sintticos). Como estos organismos poseeran un metabolismo relativamente simple y estaran totalmente caracterizados, proporcionaran unas excelentes posibilidades para ser usados como organismos de produccin simples y eficientes que puedan ser modificados y reprogramados fcilmente con fines de produccin en biotecnologa industrial43. El proceso necesario para identificar el genoma mnimo de los microorganismos sintticos se puede realizar por diversos mtodos, que van desde la identificacin de genes esenciales por mutagnesis hasta el anlisis de homologa de secuencias gnicas mediante herramientas bioinformticas. Una tercera alternativa consiste en el estudio de sistemas biolgicos que, de forma natural, han experimentado una reduccin de su material gentico. Esta es la aproximacin realizada por varios grupos de investigacin espaoles (Centro de Astrobiologa, Centro Nacional de Biotecnologa, Universidad Complutense y Universidad de Valencia) y que consisti en la secuenciacin del genoma de la bacteria endosimbionte Buchnera aphidicola44. Directamente emparentada con E. coli, Buchnera ha sufrido una evolucin por reduccin de su

material gentico hasta llegar a un nmero de genes, pudiera ser el mnimo, casi ocho veces inferior al de E. coli 45. Recientemente cientficos del Instituto Cavanilles de Biodiversidad y Biologa Evolutiva de la Universidad de Valencia han fijado en 416 pares de bases y 362 genes codificadores de protenas el genoma de Buchnera46. Este conjunto de genes sera capaz de soportar las funciones vitales de una bacteria extremadamente sencilla. A finales del ao 2004 el Instituto de Energas Biolgicas Alternativas (IBEA) perteneciente al Instituto J. Craig Venter, anunci que haban diseado el bacterifago (virus que infecta a bacterias) X174 en el laboratorio en tan slo dos semanas. Este virus sinttico contiene el mismo nmero de pares de bases de ADN que su equivalente natural y posee la misma actividad47. Para conseguir su objetivo, ensamblaron fragmentos de ADN de 5 o 6 Kb partiendo de un conjunto de oligonucletidos sintticos. Este grupo liderado por el cientfico Craig Venter, se ha dedicado los ltimos aos a la identificacin del genoma mnimo necesario para la supervivencia de la bacteria Mycoplasma genitalium. Siguiendo una estrategia que consista en realizar mutaciones aleatorias de un solo gen en diferentes bacterias, concluyeron que en Mycoplasma genitalium existan alrededor de 300 genes esenciales para la vida de la bacteria. Aunque actualmente la sntesis de un cromosoma es posible, an no se sabe si es posible insertar un cromosoma en una clula y conseguir la transformacin de los sistemas operativas de la clula. Por su parte, investigadores de la divisin de ingeniera biolgica del Instituto Tecnolgico de Massachussets (MIT) han puesto en marcha un proyecto consistente en el rediseo del genoma del bacterifago T748.

43

44 45

46 47

48

Desarrollo de una Agenda de Investigacin Estratgica (AIE) para la Biotecnologa Industrial. Plataforma Tecnolgica Espaola de Qumica Sostenible. Agenda de Investigacin Estratgica. Subplataforma de Biotecnologa Industrial. Borrador (13/06/2005). Van Ham, et al., Reductive genome evolution in Buchnera aphidicola. Proc Natl Acad Sci USA. 100: 581-6. (2003). Gil, et al. (2004). Determination fo the Core of a Minimal Bacterial Gene Set. Microbiology and Molecular Biology Reviews 68: 518-537. Latorre, et al. (2006). A Small Microbial Genome: The End of a Long Symbiotic Relationship? Science, 314 (5797): 312-313. Venter, J. C., et al. (2003). Generating a synthetic genome by whole genome assembly: X174 bacteriophage from synthetic oligonucleotides. PNAS 100: 15440-15445. Endy, et al. (2005). Refactoring bacteriophage T7 Molecular systems biology.

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Tendencias

2.4. Evolucin dirigidaEl diseo de circuitos genticos se realizaba en sus comienzos por medio de estrategias combinatorias en las cuales los componentes individuales del circuito se ensamblaban in vitro, y posteriormente se introducan en una clula para observar su comportamiento. Esta estrategia ha sido utilizada con xito en la creacin de circuitos genticos simples, aunque no es adecuada como tcnica de screening o cribado a gran escala49. Un mtodo alternativo que no necesita de un conocimiento previo acerca de los detalles de la funcin del circuito es la evolucin dirigida. Este es un proceso que se aprovecha de la habilidad

de las clulas para sobrevivir frente a una presin selectiva. Una de las tcnicas que emplea esta estrategia es el denominado DNA shuffling o molecular breeding 50. El DNA shuffling consiste en la recombinacin de mltiples secuencias de ADN para crear libreras de genes quimricos. Los genes quimricos posteriormente se insertan en vectores de expresin y se transfieren a una clula husped, con el objetivo de seleccionar aquellas secuencias quimricas que posean las caractersticas deseadas. La principal ventaja de esta tcnica radica en que permite disear circuitos complejos que posean mltiples interacciones entre s. Esta estrategia ha sido empleada en el diseo de redes sintticas a partir de mutaciones conocidas, que posteriormente se mejoran mediante evolucin dirigida51.

Diseo de enzimas no presentes en la naturalezaON N 2-3

Diseo de circuitos genticos

OFF ON

OFF ON OFF C

Evolucin dirigida Diseo de nuevas rutas metablicas

Fig. 7. Aplicaciones de las tcnicas de evolucin dirigida en Biologa Sinttica. Fuente: elaboracin propia.

49 50 51

William, J. Blake y Farren, J. Isaacs (2004). Synthetic biology evolves. Trends in biotechnology, 22: 321-324. Stemmer, W. P. C. (1994). Rapid evolution of a protein in vitro by DNA shuffling. Nature 370, 389-391. Frances, H. Arnold (2002). Directed evolution of a genetic circuit. PNAS, 99: 16587-16591.

20

BIOLOGA SINTTICA

Otro tipo de estrategias basadas en la evolucin dirigida emplean tcnicas de mutagnesis dirigida para conseguir que los microorganismos desarrollen la funcin deseada. La combinacin de este conjunto de estrategias ha permitido la construccin de libreras que posibilitan el diseo de partes biolgicas que previamente eran incompatibles, dando lugar a un circuito gentico funcional52.

Mutagnesis A)

Recombinacin B)

Mutacin

}

Librera (diversidad)

Transformacin de microorganismos con la librera Gen con mutacin de inters

Transferencia de las colonias a placas

Screening o cribado Fig. 8. Evolucin dirigida. Fuente: Instituto de Catlisis y Petroleoqumica (CSIC), Grupo de Biocatlisis Aplicada (http://www.icp.csic.es/abg/web _ esp/lineas _ investigacion/linesofresearch3.2.htm).

La empresa de biotecnologa Diversa posee una tecnologa denominada DirectEvolution. A travs de esta tecnologa modifican genes y protenas mediante evolucin dirigida, con el objeto de identificar nuevas enzimas con propiedades valiosas para distintos sectores industriales53. En el caso de la compaa Codexis, han desarrollado una plataforma de evolucin dirigida similar que recibe el nombre de MolecularBreeding54.

52 53 54

Feber, D. (2004). Synthetic Biology: Microbes Made to Order. Science, Vol 303, Issue 5655, 158-161. DirectEvolution, Diversa (http://www.diversa.com/techplat/innobiod/direevol.asp). MolecularBreeding, Codexis, (http://www.codexis.com).

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Tendencias

2.5. Ingeniera gentica in silicoHasta la fecha, se ha conseguido disear circuitos genticos simples empleando diversas estrategias in vivo tales como la expansin del cdigo gentico, la evolucin dirigida o la identificacin y sntesis de genomas mnimos. Sin embargo, el principal factor limitante de estas estrategias radica en la imposibilidad de predecir el comportamiento de un circuito en su medio natural. La verdadera Biologa Sinttica tiene como objetivo la construccin de modelos que puedan predecir de forma precisa cmo se comportara este circuito gentico en el interior de las clulas55. Las clulas estn sujetas a cambios constantes que incluyen estrs del medio y mutaciones genticas que afectan a su habilidad para crecer y propagarse. Las simulaciones realizadas mediante Ingeniera Gentica in silico, deben tener en cuenta este tipo de circunstancias para dotar de realismo a los modelos que se creen. Las simulaciones por ordenador son una herramienta bsica de la Biologa Sinttica, siempre y cuando mantengan los principios de estandarizacin de los componentes del modelo y optimizacin de los circuitos diseados. Una forma de realizar predicciones teniendo en cuenta las variaciones que alteran al medio celular, ha sido llevada a cabo por un grupo de

investigacin perteneciente al Laboratorio de Fsica Estadstica de la cole Normale Suprieure en Pars. Este grupo ha descrito un procedimiento que reproduce in silico la principal fuerza que dirige el diseo de redes genticas in vivo, la evolucin56. Los algoritmos creados por este grupo imitan la respuesta de las poblaciones de clulas frente a las presiones de la evolucin por medio de redes de propagacin basadas en la seleccin de determinados comportamientos57. Esta estrategia comienza con una coleccin de genes y protenas acompaadas por una serie de ecuaciones que describen sus interacciones, y que posteriormente sufren fases alternativas de crecimiento mutacional y seleccin para dar lugar a redes con funciones especficas. Este proceso de evolucin se repite hasta que las redes deseadas son creadas. Otra estrategia es la que llevaron a cabo investigadores de la Universidad de Boston. Ellos emplearon un mtodo matemtico con el objetivo de monitorizar las partes que componen un circuito gentico. Este algoritmo permitira a su vez predecir qu puntos de la red son bloqueados por frmacos dainos para el ADN. De esta forma, las compaas farmacuticas podran adaptar este mtodo para estudiar si sus frmacos candidatos afectan partes de la clula que estn relacionados con la diana teraputica58.

Gen

Seleccin in silico

Protenas Reacciones bioqumicas Coleccin de redes Mdulos genticos funcionales

Fig. 9. Redes genticas descritas mediante evolucin in silico. Fuente: Blake, W. J. & Isaacs, F. J. (2004). Synthetic biology evolves. TRENDS in Biotechnology. Vol. 22, n 7: 321-324.

55 56

57 58

Feber, D. (2004). Synthetic Biology: Microbes Made to Order. Science, 303: 158-161. Paul Franois y Vicent Hakim (2003). Design of genetic networks with specified functions by evolution in silico. PNAS, 101: 580-585. Blake, W. J. & Isaacs, F. J. (2004). Synthetic biology evolves. TRENDS in Biotechnology. 22: 321-324 Gardner, T. S., et al. (2003). Inferring Genetic Networks and Identifying Compound Mode of Action via Expression Profiling. Science Jul 4:102-105.

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BIOLOGA SINTTICA

Actualmente la estrategia combinatoria parece ser la ms adecuada para simplificar la tarea de construccin de circuitos artificiales. Para ello, los componentes aislados se ensamblan in vitro y las redes resultantes se insertan en una

clula en la que se pueda identificar el comportamiento del circuito. Este mtodo requiere el empleo de tcnicas de cribado a gran escala para la construccin de redes ms complejas.

Evolucin in silico

Adicin, retirada, o mutacin de componentes e interacciones

Seleccin

Librera de mdulos que muestran las funciones deseadas

Ensamblaje de componentes e insercin en las clulas

Seleccin

Mdulo con las caractersticas deseadas

Evolucin in vivo

Conseguir el desarrollo de modelos que cumplan los principios de estandarizacin y optimizacin propios de la Biologa Sinttica, son el objeto de trabajo de diferentes grupos de investigacin integrados dentro del proyecto estadounidense BioSpice59. El principal propsito de este proyecto consiste en desarrollar un software para el diseo de nuevos sistemas vivos a partir de una librera o coleccin de partes genticas estndar

intercambiables entre s y con funciones especficas60. Por otra parte, el grupo de investigacin de Biologa computacional y estructural del Laboratorio Europeo de Biologa Molecular ha diseado un software al que han bautizado como SmartCell para simular redes de genes y protenas que tienen en cuenta el espacio celular y FoldX, software de diseo automtico de protenas con utilidad para el diseo de frmacos61.

59 60

61

Consorcio BioSpice (https://biospice.org/index.php). Pescovitz, D. Engineering Life. Lab Notes, Public Affairs Office of the UC Berkeley College of Engineering (http://www.coe.berkeley.edu/labnotes/0604/arkin.html). EMBL, Synthetic Biology Group (http://www-db.embl.de/jss/EmblGroupsOrg/g _ 54?sP=1).

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Tendencias

3. Aplicaciones de la Biologa SintticaEl siguiente apartado consiste en una descripcin de las principales aplicaciones de la Biologa Sinttica, demostrando que esta joven disciplina se encuentra activa en numerosos sectores que van desde la industria qumica y farmacutica, hasta sectores relacionados con el medio ambiente, nuevos materiales y energas renovables.

3.1.b. Medicina personalizadaLa Biologa Sinttica permitir obtener un conocimiento ms amplio de la complejidad de las enfermedades y, por tanto, ser posible desarrollar frmacos a la carta o personalizados. Esto se realizar gracias a las tecnologas propias de la Biologa Sinttica como son la creacin de circuitos genticos y la ingeniera gentica in silico. Mediante estas tecnologas se podrn crear modelos tanto tericos como experimentales que permitirn probar la respuesta o efectos secundarios de un frmaco frente a los distintos modelos diseados en el laboratorio. Como consecuencia, los frmacos del futuro estarn ajustados a las necesidades del paciente en su formulacin, dosis, cintica de liberacin, y patrn de glicosilacin. Uno de los campos de la Biologa Sinttica es la construccin de clulas o compartimentos celulares artificiales que serviran como fbricas para la sntesis de molculas biolgicas62. En el VI Programa Marco y dentro de los proyectos que forman parte de la iniciativa NEST-PATHFINDER, se ha establecido el proyecto NEONUCLEI. Uno de los objetivos de este proyecto es generar anlogos sintticos de ncleos celulares que contendrn un genoma sinttico. Con ello se podra resolver el problema que supone para la industria farmacutica actual el desarrollo de un sistema de produccin de millones de biomolculas complejas diferentes, ya que las clulas artificiales podrn llevar a cabo diversas rutas biosintticas ajustndose a las necesidades de produccin.

3.1. BiomedicinaLa medicina ser una de las reas que ms se beneficiar de los avances en Biologa Sinttica, en concreto las reas sobre las que la nueva disciplina tendr una mayor repercusin sern el desarrollo de frmacos inteligentes, la medicina personalizada, la terapia gnica, la reparacin y regeneracin de tejidos, la reprogramacin celular y la sntesis in vivo de frmacos.

3.1.a. Frmacos inteligentesLa Biologa Sinttica permitir el desarrollo de frmacos inteligentes, que slo son activos cuando se producen las circunstancias fisiolgicas que requieren su administracin. Un frmaco inteligente est compuesto por una envuelta sinttica que contiene una molcula diagnstica capaz de detectar indicadores patolgicos y tomar la decisin de activar o no la liberacin del frmaco. La administracin de este tipo de frmacos ha de ser sencilla y slo debe activarse cuando el paciente desarrolle la enfermedad. Un ejemplo de esta tecnologa puede ser el diseo de microorganismos que detecten cambios en la concentracin de hormonas, y como respuesta den lugar a la secrecin de compuestos qumicos o biolgicos. Esta estrategia requiere del desarrollo de materiales de encapsulacin as como de enzimas que produzcan la liberacin del frmaco.

62

Synthetic Biology Applying Engineering to Biology. Report of a High-Level Group. Comisin Europea 2005.

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BIOLOGA SINTTICA

3.1.c. Terapia gnicaUna de las aplicaciones de la Biologa Sinttica consiste en el diseo y modificacin de virus para transportar genes a tejidos concretos y conseguir la recombinacin e integracin de los mismos de forma eficiente en el genoma del paciente. Esta aplicacin constituira un gran empuje para la terapia gnica, que, tras sus prometedores comienzos, no ha conseguido superar una de sus grandes barreras, la capacidad de llevar el transgn a la clula diana, sobre todo para el tratamiento del cncer. Adems de virus, tambin es posible el diseo de circuitos biolgicos que detecten cambios fisiolgicos anormales en las clulas y den lugar a una respuesta basada en la recombinacin del gen anormal con su homlogo normal. Tanto los virus como los circuitos biolgicos sintticos pueden ser empleados para reconocer y eliminar clulas anormales, siendo el cncer la aplicacin ms inmediata.

3.1.e. Reprogramacin celularLas clulas madre pueden ser modificadas por medio de estrategias de Biologa Sinttica de modo que adquieran nuevas propiedades y posteriormente sean introducidas en pacientes para, por ejemplo, revertir una patologa. Esta terapia podra ser de utilidad en la reprogramacin del sistema inmune con el objeto de combatir enfermedades infecciosas. La regeneracin de rganos por medio de estrategias de reprogramacin celular es otra de las aplicaciones potenciales en biomedicina, proceso comn en otros vertebrados como las salamandras o tritones.

3.1.f. Sntesis in vivo de frmacosLa industria qumica y farmacutica se beneficiar de los avances en Biologa Sinttica debido a la capacidad de sta para modificar o disear microorganismos sintticos, los cuales produciran frmacos cuya fabricacin actual se basa en la extraccin a partir de fuentes naturales muy limitadas o costosos procesos de sntesis qumica. Las estrategias empleadas pueden ser de dos tipos: Nuevas rutas metablicas que permitan la sntesis y produccin a gran escala de nuevos compuestos en bacterias: el ejemplo ms relevante lo encontramos en el trabajo desarrollado en el Lawrence Berkeley National Laboratory de California, que ha reconstruido en la bacteria E. coli el circuito gentico encargado de la sntesis del precursor de la artemisina, un frmaco contra la malaria, de tal forma que se pueda producir dicho frmaco eficientemente a un coste asequible64. Actualmente, la compaa suiza Novartis comercializa el frmaco antimalrico Coartem, basado en un derivado de la artemisina. Debido a que el coste de produccin de este medicamento es muy elevado, y a que los tratamientos con cloroquina empleados hasta ahora muestran cada vez menor efectividad, se hace imprescindible buscar una solucin alternativa. La produccin de artemisina mediante Biologa Sinttica se pretende conseguir por medio de la introduccin

3.1.d. Reparacin y regeneracin de tejidosEsta aplicacin se basa en el diseo de sistemas moleculares formados por sensores capaces de reconocer la existencia de daos en determinados tejidos, unido a un grupo de enzimas capaces de reparar el dao. Ejemplos potenciales podran ser la regeneracin endotelial de los vasos sanguneos en lesiones vasculares y la reparacin tisular a travs de la regeneracin de la matriz de colgeno. Un ejemplo de la actividad investigadora en este campo ha sido la fabricacin de un sistema multicelular sinttico, constituido por bacterias E. coli en las que se integr un circuito de genes. Los genes proporcionaron a las bacterias la capacidad de responder de forma distinta y controlada en funcin a un estmulo qumico determinado que reciban de su entorno, como un gradiente o variacin de concentracin de una determinada protena63. La integracin de este tipo de sistemas en organismos superiores tendra aplicaciones prcticas en el diseo o creacin de tejidos en tres dimensiones as como en la fabricacin de biomateriales y biosensores.

63 64

Basu, S., et al. (2005). A synthetic multicellular system or programmed pattern formation, Nature 434: 1130-1134. Martin, V., et al. (2003). Engineering a mevalonate pathway in Escherichia coli for production of terpenoids. Nature Biotechnology. 21: 796-802. Herrera, S. (2005). Synthetic biology offers alternative pathways to natural products. Nature Biotechnology, 23, 3:270-271.

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Tendencias

de 3 a 5 genes en E. coli, que representan aproximadamente la mitad de los genes necesarios para producir la artemisina en la planta. Los productos de estos genes formarn en el interior de la bacteria los precursores de la artemisina, que sern purificados para posteriormente producir la protena final mediante sntesis qumica. Como resultado, el frmaco podra obtenerse de forma eficiente en das o semanas en vez de aos, ya que mediante la purificacin a partir de la planta es necesario esperar a que esta complete su ciclo de desarrollo.

La importancia de esta tcnica no reside exclusivamente en la capacidad de sintetizar artemisina, ya que gracias a la construccin de este circuito gentico se espera poder producir otros compuestos de la misma familia qumica a la que pertenece la artemisina65, los denominados terpenoides. Dentro de ellos se encuentran sustancias anticancergenas como el taxol o el irufloveno que se obtienen de diferentes plantas en cantidades muy pequeas. En teora, las tcnicas de Biologa Sinttica podran emplearse para disear clulas especializadas que sintetizaran cualquier tipo de compuesto de forma eficiente.

Produccin tradicional de artemisina

Produccin de artemisina mediante Biologa Sinttica

3 pasos E. coli

Extraccin natural y fermentacin microbiana Fig. 11. Produccin del frmaco antimalrico artemisina mediante tcnicas de Biologa Sinttica. Fuente: Engineering microbes for the production of anti-malarial drugs. Berkeley Engineering Deans Society (http://www.coe.berkeley.edu/giving/deans _ society/2005/malaria.pdf).

Diseo de organismos con el cdigo gentico expandido mediante la adicin de nuevas bases al ADN, que aumentaran la versatilidad de los microorganismos, y seran capaces de expresar protenas con propiedades catalticas mejoradas o novedosas. Estos microorganismos podran ser empleados en la sntesis de diversos productos de inters qumico y farmacutico. Esta tcnica ya se emple con xito en el ao 2000 por un grupo de investigacin del Instituto de Tecnologa de California, quienes consiguieron disear unas bacterias que producan protenas con las caractersticas antiadherentes del tefln, que podran ser utilizadas en la produccin de vasos sanguneos artificiales66.

65

66

Engineering a mevalonate pathway in Escherichia coli for production of terpenoids. Martin, V., et al. (2003) Nature Biotechnoly 21: 796-802. Pollack, A. (2001). Scientists Are Starting to Add Letters to Lifes Alphabet , NY Times. July 24 (http://online.sfsu.edu/~rone/GEessays/DNAaltlife.html).

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BIOLOGA SINTTICA

Tipos de frmacos que podran desarrollarse mediante tecnologas de expansin del cdigo gentico: Frmacos basados en cidos nucleicos: El ejemplo ms inmediato son las terapias basadas en ARN interferente o antisentido, y aptmeros67, que sufren problemas de estabilidad qumica y limitada versatilidad como consecuencia de su estructura y la carga negativa propia de los nucletidos que los constituyen. Las estrategias de expansin del cdigo gentico proporcionaran las herramientas necesarias para conseguir la sntesis a gran escala de cidos nucleicos ms estables y verstiles como agentes teraputicos. Los cidos nucleicos tambin pueden ser empleados como componentes en la sntesis de nanoestructuras basadas en cidos nucleicos tales como nanosensores o interruptores genticos. Frmacos basados en protenas: Los organismos con un cdigo gentico expandido poseen aminocidos extra que pueden ser incorporados a protenas de la misma forma que los aminocidos naturales. Como resultado, se obtendran protenas que al estar formadas por aminocidos no naturales poseen caractersticas nuevas. Esta estrategia sera de gran utilidad en la sntesis de anticuerpos monoclonales empleados en diversas patologas como el linfoma, ya que son medicamentos demasiado caros de producir y requieren de la administracin repetida en los pacientes. La Biologa Sinttica hara posible la sntesis a gran escala de protenas formadas por aminocidos no naturales con una vida media superior, reduciendo por tanto el coste del tratamiento y el nmero de administraciones a cada paciente. BORs (Bio-orthogonal reporters): Consisten en molculas modificadas que poseen un grupo qumico que puede incorporarse a biomolculas de seres vivos sin alterar la qumica de la clula, permitiendo el marcaje y deteccin de biomolculas. Esta tcnica se ha empleado para el marcaje de protenas y azcares en clulas y seres vivos como el ratn. El inters de esta estrategia radica en que la incorporacin de BORs a biomolculas relacionadas con determinados estados celulares como ciertas patologas cancergenas, permitira su deteccin con gran sensibilidad y podra realizarse una terapia especfica, dirigida frente a las clulas afectadas. Por tanto, la aplicacin de esta tecnologa se centra en una sensibilidad y resolucin mayor que las tcnicas de deteccin actuales (RMN y tcnicas de radioimagen), as como la deteccin e imagen de determinados cambios intracelulares. Por otro lado, la incorporacin de BORs en biomolculas del interior celular proporcionar una nueva herramienta de investigacin en biologa celular y fisiologa, ya que permitir el estudio en tiempo real de la sntesis, localizacin, interaccin y degradacin de protenas y cidos nucleicos en una clula o tejido.

3.2. Medio ambienteLas expectativas puestas en la ingeniera gentica como herramienta para la remediacin in situ de problemas medioambientales no se han visto cumplidas. Actualmente, la Biologa Sinttica se presenta como la evolucin lgica y racional de la ingeniera gentica en cuanto a sus aplicaciones medioambientales. En esta nueva era de la biotecnologa medioambiental, las investigaciones se estn dirigiendo hacia el diseo de sistemas complejos y el rediseo de componentes biolgicos inspirados en circuitos electrnicos 68.

Biorremediacin 69: el empleo de bacterias y hongos modificados como herramientas para eliminar compuestos txicos en el suelo se utiliza desde hace tiempo. Los avances en la biologa de estos microorganismos y su relacin con los ecosistemas permitir emplear la Biologa Sinttica para disear organismos ms eficientes en la descontaminacin de ecosistemas. En el campo de la biorremediacin se est trabajando en el uso de E. coli y Pseudomonas aeruginosa para la degradacin de los derivados del petrleo, as como para la acumulacin de metales pesados y compuestos radiactivos en sus paredes celulares.

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Aptmeros: nucletidos artificiales capaces de reconocer y unirse a molculas especficas debido a su particular estructura terciaria. Cases, De Lorenzo (2005). Genetically modified organisms for the environment: stories of success and failure and what we have learned from them. International Microbiology, 8:213-222. Biorremediacin: empleo de microorganismos para suprimir o detoxificar productos qumicos txicos o indeseables en un hbitat.

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Tendencias

Explotacin de reservas mineras de baja calidad: por medio del diseo de microorganismos capaces de extraer minerales de inters presentes incluso en bajas concentraciones, debido a la sobreexplotacin de la mina o a la baja calidad de la misma. Seguridad de organismos transgnicos: la insercin de cidos nucleicos no naturales en secuencias transgnicas proporcionara un mecanismo de control de estos organismos, ya que su presencia dependera exclusivamente del aporte de precursores de cidos nucleicos no naturales, los cuales no se encuentran en la naturaleza. Biosensores: dispositivos compactos de anlisis que se componen de un elemento capaz de reconocer e interaccionar con sustancias o microorganismos de inters, y de un sistema electrnico que permite procesar la seal producida por esta interaccin70. Investigadores de la Universidad de Durham han diseado un algoritmo que permite dirigir protenas biosensoras naturales a cualquier compuesto qumico deseado71. De esta forma, ha sido posible disear una protena de E. coli de unin a azcares para que se una al explosivo TNT; a un metabolito denominado lactato

(indicador metablico asociado a la presencia de determinados cnceres); o a la serotonina (un compuesto necesario para la comunicacin entre las clulas nerviosas, que est asociado a la presencia de desrdenes psiquitricos y tumores intestinales). Los investigadores, en primer lugar, partiendo de una protena con una secuencia de aminocidos conocida y mediante una aproximacin computacional, obtuvieron la secuencia de aminocidos de la protena de E. coli que constituan los sitios de unin a los diferentes ligandos. A continuacin formularon un total de 17 modelos tericos que incluan las variaciones en la secuencia de aminocidos obtenidos mediante el algoritmo computacional necesarios para modificar la especificidad de la protena. Finalmente, los investigadores incluyeron la protena rediseada en un circuito gentico y la introdujeron en una bacteria, con el objeto de conseguir que esta cambiase de color cuando entrara en contacto con su diana qumica. Es decir, la bacteria con la protena rediseada era capaz de emitir una respuesta concreta (emisin de fluorescencia), como consecuencia de la exposicin a un ligando determinado, como el TNT. Biosensores microbianos similares podran emplearse en la deteccin de minas terrestres y contaminantes medioambientales, o bien para ser usados como mtodos de diagnstico clnico72.

Partes genticas

Bacterias sintticas

Circuito gentico

TNT

Cromosoma bacteriano Fig. 12. Funcionamiento de un Biosensor de TNT. Fuente: Gibbs, W.W. (2004). Synthetic life. Scientific American, April, 74-81.

Mina terrestre

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Aplicaciones de Biosensores en la Industria agroalimentaria. Informe de Vigilancia Tecnolgica. Fundacin para el conocimiento Madri+d CEIM, Madrid 2005. Looger, L. L., et al. (2003). Computational design of receptor and sensor proteins with novel functions. Nature, May 8 423(6936):185-90. Feber, D. (2004). Synthetic Biology: Microbes Made to Order. Science, Vol 303, Issue 5655, 158-161.

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BIOLOGA SINTTICA

3.3. EnergaComo consecuencia de la escasez de reservas fsiles, la bsqueda de fuentes de energa alternativas se est convirtiendo en una prioridad. En este contexto, dos tecnologas estn atrayendo la atencin de las autoridades pblicas y del sector privado: la produccin de hidrgeno como fuente de energa y las pilas de combustible. En la actualidad, prcticamente el 95% del hidrgeno que se produce se hace a partir de combustibles fsiles73. La produccin del hidrgeno a partir de la materia primaria (hidrocarburos o agua) necesita de importantes cantidades de energa. La investigacin actual se centra en el posible empleo de energas renovables, tales como la descomposicin del hidrgeno del agua a partir de energa fotovoltaica, elica, hidrulica o geotrmica. La Biologa Sinttica ser una de las claves para el diseo de nuevas rutas bioqumicas que permitan la conversin de la Biomasa74 en fuentes de energa. La produccin de bioenerga mediante microorganismos sintticos se encuentra en sus primeras etapas de desarrollo. Se trata de una aplicacin realista de la Biologa Sinttica pero que para su desarrollo necesita de una mayor evolucin en las tecnologas en las que se basa. En primer lugar, es necesario identificar el nmero de genes mnimos e indispensables para la vida, para posteriormente redisear rutas metablicas novedosas encaminadas a la produccin de energa. Existen tres campos de investigacin principales en cuanto a produccin de bioenerga mediante Biologa Sinttica, la produccin de hidrgeno o etanol, la conversin eficiente de residuos en energa y la conversin de energa solar en hidrgeno.

Uno de los grupos de investigacin ms relevantes en esta aplicacin de la Biologa Sinttica se encuentra en el Instituto J. Craig Venter75. En este centro de investigacin se trabaja en la actualidad en la creacin de microorganismos nuevos a partir de la sntesis del nmero mnimo de genes indispensable para la vida, con el objetivo de disear bacterias genticamente programadas para degradar dixido de carbono y otras sustancias txicas para el medio ambiente. Por otra parte, estn diseando microorganismos que sean mucho ms eficaces que las variedades conocidas para convertir luz solar y materia biolgica en energa. Mediante estos dos proyectos podran llegar a conseguir disear un microorganismo sinttico capaz de producir energa y, al mismo tiempo, mejorar el Medio Ambiente. Otro de sus proyectos tiene como objetivo la recoleccin de microorganismos marinos procedentes de todo el planeta. Con este proyecto pretenden encontrar miles de nuevos microorganismos y millones de secuencias genticas desconocidas, actualmente han encontrado ya 782 genes de fotorreceptores y 50.000 genes nuevos para el procesamiento del hidrgeno. En el Laboratorio de Biologa Sinttica de la Universidad de Berkeley estn trabajando en el diseo de nuevos organismos capaces de producir hidrgeno a partir de la fermentacin de la celulosa presente en la biomasa, empleando por tanto un recurso primario renovable76. Uno de los objetivos de este grupo de investigacin consiste en introducir nuevos elementos en la maquinaria molecular de microorganismos, como por ejemplo Bacillus subtilis, para que de esta forma sean capaces de recuperar la energa que se encuentra almacenada en la celulosa y transformarla en hidrgeno. De esta forma se conseguira recuperar de forma eficiente la energa qumica almacenada en la celulosa, y transformarla en otras fuentes de energa.

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74

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La energa del hidrgeno y las pilas de combustible. Tecnociencia, febrero de 2005 (http://www.tecnociencia.es/especiales/hidrogeno/obtencion.htm). Biomasa: conjunto de la materia orgnica originada por los seres vivos y los productos procedentes de su transformacin inmediata que pueden ser utilizados para la produccin de energa. J. Craig Venter Institute (http://www.venterinstitute.org). Laboratorio de Biologa Sinttica de la Universidad de Berkeley (http://pbd.lbl.gov/synthbio/).

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Tendencias

Iniciativas para el desarrollo de tecnologas basadas en el hidrgeno como fuente de energa Departamento de Energa de Estados Unidos (DOE) 77: 1.700 millones de euros de presupuesto. A finales de 2001 pusieron en marcha el Programa de Genomas Microbianos y el proyecto de Clulas microbianas cuyo objetivo es un amplio repertorio de funciones microbianas tiles para aplicaciones relacionadas con la produccin de energa, medio ambiente, salud y procesos industriales. El listado completo de dichos microorganismos se encuentra en el anexo IV del presente informe. Unin Europea: dentro del VI Programa Marco este tipo de iniciativas han recibido un presupuesto de 275 millones de euros. En el ao 2000 se constituy el Grupo de Alto Nivel sobre Hidrgeno y Pilas de Combustible, que se fija como principal objetivo alcanzar la cuota del cinco por ciento en combustibles de hidrgeno en el transporte para el ao 2020. En Espaa, el Plan Nacional de I+D+I 2004-2007 tambin incluye apartados especficos para el desarrollo de este tipo de tecnologas78.

RESUMEN DE LAS PRINCIPALES TECNOLOGAS DE PRODUCCIN DE HIDRGENOTecnologa Electrolisis: descomposicin de agua utilizando la electricidad. Ventajas Disponible comercialmente. Hidrgeno de gran pureza. Posibilidad de producir H2 por medio de electricidad renovable. Hidrgeno de bajo coste a partir de gas natural. Oportunidades para combinar con la fijacin de CO2 a gran escala. Limitaciones

Competencia con el uso directo de la electricidad renovable.

Reformado: descomposicin de hidrocarburos con calor y vapor.

Las unidades a pequea escala no son rentables comercialmente. El hidrgeno contiene algunas impurezas. Emisiones de CO2. Costes adicionales de la fijacin de CO2. Las unidades pequeas son muy escasas. La gasificacin de la biomasa se encuentra en fase experimental. Competencia con los combustibles sintticos derivados de la biomasa.

Gasificacin: descomposicin de hidrocarburos pesados y biomasa en hidrgeno y gases para reformado.

Puede utilizarse para combustibles slidos y lquidos. Posibles sinergias con combustibles sintticos derivados de la biomasa. Produccin potencialmente a gran escala y sin emisin de gases invernadero. Colaboracin internacional (EEUU, Europa, Japn) sobre investigacin, desarrollo y despliegue.

Ciclos termoqumicos: utilizan el calor barato de alta temperatura procedente de la energa nuclear o solar concentrada.

Falta investigacin y desarrollo no comerciales sobre el proceso. Se precisa implantacin del reactor nuclear de alta temperatura (HTR).

Produccin biolgica: las algas y bacterias producen directamente hidrgeno en determinadas condiciones.

Recurso de gran potencial.

Ritmo de produccin de hidrgeno lento. Se necesitan grandes superficies. No se han encontrado todava organismos apropiados. Se encuentra en fase experimental.

Biologa Sinttica: produccin de hidrgeno o etanol, conversin eficiente de residuos en energa y/o conversin de energa solar en hidrgeno mediante microorganismos sintticos.

Recurso de gran potencial. Produccin compatible con biorremediacin. Produccin de energa limpia. Bajo coste una vez desarrollada la tecnologa.

Tecnologa en fase inicial de desarrollo.

Tabla 3. Resumen de las principales tecnologas de produccin de hidrgeno. Fuente: adaptado de La energa del hidrgeno y las pilas de combustible. Comisin Europea.

77 78

Departamento de Energa de Estados Unidos (DOE) http://www.energy.gov/index.htm. Pilas de combustible de hidrgeno. Tecnociencia, febrero 2005 (http://www.tecnociencia.es/especiales/hidrogeno/introduccion.htm).

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BIOLOGA SINTTICA

3.4. Nuevos BiomaterialesExisten diversos mecanismos a travs de los cuales protenas, virus u organismos modificados mediante estrategias de Biologa Sinttica pueden aplicarse en procesos de desarrollo de nuevos biomateriales. Los biomateriales son materiales farmacolgicamente inertes, utilizados para ser incorporados o implantados dentro de un sistema vivo para reemplazar o restaurar alguna funcin permaneciendo en contacto permanente o intermitente con fluidos corporales. Mediante las tecnologas propias de la Biologa Sinttica, ser posible disear o modificar clulas y microorganismos para que sean capaces de sintetizar polipptidos constituidos por

aminocidos no naturales que posean propiedades interesantes. Entre las nuevas propiedades se encontraran la capacidad de entrecruzamiento o el reconocimiento de molculas (til para la unin de materiales entre s). Uno de los retos de la nanotecnologa y de la ingeniera de biomateriales es conseguir alcanzar un mayor grado de control en la manipulacin de los nanomateriales. La Biologa Sinttica proporciona herramientas para conseguir este control. Las protenas motoras de la clula se pueden programar para transportar nanopartculas a una localizacin concreta, y el ADN se ha empleado como molde para el ensamblaje de objetos de escala nanomtrica sobre su superficie.

Fig. 13. Nanopartculas organizadas en diversas estructuras semejantes a las encontradas en la clula (fase lamelar, micelas tubulares, bicapas). Fuente: elaboracin propia.

Las reas relacionadas con nuevos materiales que se vern ms beneficiadas por el desarrollo de la Biologa Sinttica sern: (i) los materiales biomdicos, (ii) los sensores, (iii) los materiales para la conversin de energa (iv) los microelectrnica y tecnologa de la informacin y (v) los composites79.

3.5 Procesos industrialesLas enzimas son protenas que actan de la misma forma que los catalizadores inorgnicos utilizados en la industria qumica pero a diferencia de estos, las enzimas poseen una gran especificidad. Las reas de aplicacin de las enzimas en procesos industriales son la industria alimentaria, piensos animales y sectores tcnicos relacionados con la industria textil, cuero, alcohol combustible, papelera y detergentes.

79

Synthetic Biology Applying Engineering to Biology. Report of a NEST High-Level Expert Group. UE 2005.

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Tendencias

Biologa sinttica aplicada a los procesos industriales

Enzimas industriales desarrolladas mediante Biologa Sinttica

Industria alimentaria

Piensos animales

Sectores tcnicos

Ejemplos: Industria panadera. Industria lctea. Industria cervecera.

Ejemplos: Harinas crnicas. Harinas de pescado.

Ejemplos: Lavado y tratamiento de textiles. Industria de detergentes. Industria alcohlica.

Fig. 14. Aplicaciones de la Biologa Sinttica en Procesos Industriales. Fuente: elaboracin propia.

Las tcnicas de ingeniera gentica han permitido producir cada vez ms enzimas a nivel comercial. En la actualidad, cuando se identifica una enzima interesante en un microorganismo, el material gentico que codifica su estructura puede transferirse a un microorganismo husped apropiado. Sin embargo, incluso si se consigue identificar la enzima adecuada, no siempre es posible producirla a escala industrial ya que los rendimientos suelen ser demasiado bajos80. Mediante la Biologa Sinttica sera posible no slo acelerar el proceso de descubrimiento e identificacin de nuevos biocatalizadores, sino la sntesis de nuevas enzimas con propiedades mejoradas o novedosas para diversos procesos industriales. En los ltimos aos se ha perfeccionado una tcnica que ha supuesto un gran avance en la industria

enzimtica, denominada evolucin dirigida, que se describe con detalle en anteriores apartados del presente informe. En biotecnologa industrial son necesarias enzimas con unas caractersticas muy especficas, que no siempre tienen de forma natural, por ejemplo que sean estables y activas durante largos perodos de tiempo, que presenten actividad en solventes no acuosos y capaces de aceptar diferentes substratos que no se encuentran en la naturaleza de forma natural81. Las tcnicas de evolucin dirigida han sido de gran utilidad a la hora de sintetizar numerosas enzimas con propiedades concretas como las mencionadas anteriormente. La aparicin de esta tecnologa supuso el nacimiento de diferentes compaas que incluyen la evolucin dirigida en su oferta tecnolgica, lo que ha supuesto un gran impulso para la biotecnologa industrial.

80 81

A dnde van las enzimas? Novonordisk, Marzo n1, 1999. Laboratorio de Frances H. Arnold, Instituto de Tecnologa de California http://www.che.caltech.edu/groups/fha/index.html.

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BIOLOGA SINTTICA

EMPRESAS CON TECNOLOGAS PROPIAS DE EVOLUCIN DIRIGIDAEmpresa Tecnologas Acuerdos DSM N.V, Medarex Inc., Givaudan Flavors Corp, Finnfeeds International, Dow Custom & Fine Chemicals, DuPont, GlaxoSmithKline, Invitrogen Corporation, Syngenta (Novartis) Agribusiness Biotechnology Research Inc, Zymetrics DuPont, Lilly, Teva Pharmaceutical Industries Ltd, Roche, InterMune, Inc., Nektar Therapeutics Pfizer, Lilly, Bristol-Meyers Squibb , Sandoz, Teva, Matrix, Shasun, DSM, Cargill Dow, Novozymes, PfizerDoramectin Lilly Danisco, Novozymes, BMBF, Evotec OAI, Solvent Innovation GmbH

Diversa

Gene Site Saturation Mutagenesis Tunable GeneReassemblyTM DiverseLibrariesSM PathwayLibraries

TM

Maxygen

MolecularBreedingTM directed evolution

Codexis

MolecularBreedingTM Directed Molecular Evolution by DNA suffling

Applied Molecular Evolution Inc. Direvo biotech

AMEsystem

RCR

Tabla. 4. Empresas con tecnologas propias de Evolucin dirigida. Fuente: elaboracin propia.

Otras tecnologas propias de la Biologa Sinttica, como la expansin del cdigo gentico o el desarrollo de microorganismos con genomas mnimos podran en un futuro ser aplicables a la evolucin dirigida de enzimas. Los nuevos organismos artificiales poseeran un conjunto de genes que codificaran para protenas que tendran las caractersticas deseadas82. La Biologa Sinttica permitir el diseo de enzimas con mayor especificidad y actividad. Recientemente, cientficos de la Universidad de California en Berkeley han conseguido construir nuevas variantes de la enzima denominada terpeno sintasa83, cada una de las cuales es capaz de sintetizar diferentes compuestos. Para ello utilizaron de forma combinada tcnicas de evolucin dirigida y un modelo matemtico que les ha llevado a conseguir el diseo racional de nuevas actividades enzimticas, hasta ahora no presentes en la naturaleza.

Segn un estudio publicado por Business Communications Co., en el ao 2004 el mercado global de las enzimas industriales est estimado en 2.000 millones de dlares, con unas perspectivas de crecimiento de un 3,3% de Tasa Media Anual de Crecimiento para el 2009. Por tanto, la aplicacin de nuevas tcnicas de produccin de enzimas industriales mediante tcnicas de Biologa Sinttica es un campo que en la actualidad despierta gran inters debido a su importancia econmica.

82 83

Desarrollo de una Agenda de Investigacin Estratgica (AIE) para la Biotecnologa Industrial. Designed divergent evolution of enzyme function. Jay D. Keasling et. al. Nature, Feb 2006.

33

Tendencias

4. Situacin actual de la investigacin en Biologa SintticaExiste una clara diferencia entre el estado de la tcnica de la Biologa Sinttica en Estados Unidos y el resto del mundo, pero cada vez son ms los grupos que desarrollan lneas de investigacin en este campo de la ciencia. El nmero de publicaciones es un buen indicador de la situacin de la investigacin en Biologa Sinttica. Al realizar una bsqueda utilizando como palabra clave Biologa Sinttica en la base de datos de publicaciones cientficas Pubmed84, se observan un total de 51 artculos cientficos publicados entre enero del ao 2000 y diciembre de 2005. Si se compara este nmero de artculos con los 6.528 artculos de Ingeniera Gentica que se han publicado en el mismo perodo de tiempo, podemos hacernos una idea del estado inicial en que se encuentra la investigacin en Biologa Sinttica. En los ltimos dos aos, se puede observar un marcado crecimiento en el nmero de publicaciones. Para realizar la bsqueda de publicaciones se emplearon las siguientes palabras clave: Biologa Sinttica, Genoma mnimo, Circuito gentico, ADN artificial, Computacin biolgica e Ingeniera metablica. Los trminos que muestran entradas ms antiguas son ADN artificial y computacin biolgica, mientras que el trmino Biologa Sinttica no presenta entradas hasta el ao 2002, ao en el que slo aparece una referencia a Biologa Sinttica en la base de datos.

180

160

140

120

100 N de publicaciones

80

60

30Biologa sinttica Genoma mnimo Circuito gentico DNA artificial

25

20

DNA computing Ingeniera metablica

15

10

5

0 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 Ao Fig. 15. Evolucin de las publicaciones relacionadas con Biologa Sinttica. Fuente: elaboracin propia a partir de datos publicados en PubMed.

84

Pubmed, base de datos de publicaciones cientficas http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed.

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BIOLOGA SINTTICA

4.1 Estados UnidosLos investigadores del LBNL (Lawrence Berkeley National Laboratory) de California establecieron el primer departamento de Biologa Sinttica del mundo en junio del 200485. Hasta la fecha, el proyecto ms relevante para la industria en el campo de la Biologa Sinttica ha sido la financiacin de este grupo de investigacin con 42,6 millones de dlares por parte de la Fundacin Bill y Melinda Gates, con el objeto de producir el frmaco antimalrico artemisina.

En esas mismas fechas, tuvo lugar el primer encuentro internacional en Biologa Sinttica en el Instituto Tecnolgico de Massachussets (MIT)86, cuya segunda edicin se celebr en mayo del ao 2006. La empresa californiana Amyris y el Institute for OneWorld Health tambin forman parte de este proyecto. Hasta el momento, la ingeniera metablica tan solo ha sido empleada con xito en la produccin de microorganismos experimentales con aplicaciones en la degradacin de plsticos, pero no para la obtencin de frmacos87.

Grupos de investigacin relevantes estadounidenses en Biologa Sinttica: Instituto J. Craig Venter88: en este centro de investigacin se estn desarrollando varios proyectos dirigidos a la construccin de un microorganismo artificial con nuevas capacidades que permitan, por ejemplo, la degradacin de emisiones de gases contaminantes y reducir la concentracin de dixido de carbono de la atmsfera, disminuyendo as el efecto invernadero, o que las bacterias generen hidrgeno en cantidades suficientes como para suponer una fuente de energa alternativa. Universidad de Princetown, Departamento de Ingeniera elctrica89 y Biologa molecular 90: realizan trabajos centrados en el diseo de redes genticas sintticas para comprender los mecanismos que controlan la expresin gnica y las comunicaciones intercelulares. Instituto de Tecnologa de Massachussets, Departamento de Ingeniera biolgica91: est estudiando el genoma de el bacterifago T7, resintetizando y rediseando el virus. Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL), laboratorio de Biologa92: han introducido una red de genes de levadura y gusano en E. coli. Este circuito permite a la bacteria sintetizar un precursor de la artemisina. Universidad de Duke, Departamento de Bioqumica93: rediseo de protenas naturales sensoras en E. coli, de forma que pudieran dirigirse frente al TNT u otros compuestos de inters en vez de sus dianas normales.

85 86

87 88 89 90 91 92 93

Physical Biosciences Division, Synthetic Biology. Berkeley Lab, UC Berkeley (http://www.lbl.gov/synthbio). Synthetic Biology 1.0, The First International Meeting on Synthetic Biology. Cambridge, June 10-12, 2004 (http://web.mit.edu/synbio/release/conference/). Herrera, S. (2005). Synthetic biology offers alternative pathways to natural products. Nature Biotechnology, 23, 3:270-271. Instituto J. Craig Venter (http://www.venterinstitute.org). Universidad de Princetown, Dpto. de Ingeniera elctrica http://www.ee.princeton.edu/people/Weiss.php. Universidad de Princetown, Dpto. Biologa molecular http://www.molbio.princeton.edu/research _ facultymember.php?id=62. Instituto de Tecnologa de Massachussets, Departamento de Ingeniera biolgica http://web.mit.edu/be/index.htm. Lawrence National Laboratory (LBNL), laboratorio de Biologa http://www.lbl.gov/pbd/synthbio/default.htm. Universidad de Duke, Departamento de Bioqumica http://www.biochem.duke.edu/Hellinga/hellinga.html.

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Tendencias

4.2. Europa y EspaaEn lo referente a Europa, el programa europeo NEST94 (Ciencias y T