El acceso a la información genética y la disminución drástica de los costos de secuenciación y síntesis del ADN, han llevado a que los estudios en biología sintética se eleven en los últimos años, desarrollando nuevas tecnología que permiten por ejemplo el diseño y/o mejora de rutas metabólicas para aumentar la productividad en diversas industrias que utilizan microorganismos como los principales productores. Pero, ¿Qué es la biología sintética?
Algunos expertos europeos definen a la biología sintética como la ingeniería de la biología, y puede aplicarse tanto a moléculas individuales como a células, tejidos y organismos completos. En esencia, esta es un área que viene ofreciendo enfoques innovadores para diseñar o rediseñar nuevo sistemas biológicos con fines útiles.
Principio básico de la biología sintética.
Fuente: Elaboración propia
"Una ciencia muy importante, cuyos avances podrían marcar el comienzo de un futuro más productivo"
La llegada de la biología sintética está revolucionando a la biotecnología, permitiéndole brindar soluciones para casi cualquier sector industrial, ya sea enérgico, químico, alimentario, farmacéutico, etc. Mediante el uso de conocimientos básicos sobre los principios biológicos de la bioquímica de las células, se puede producir casi cualquier sustancia química a través de la biotecnología.
Más aún existe una gran brecha entre crear una nueva propiedad metabólica en el laboratorio y desarrollar un proceso a gran escala. Definitivamente una cosa es diseñar un metabolito o producto de interés en un tubo de ensayo o en un pequeño biorreactor y otra muy distinta es implementar un diagrama de flujo completo para fabricar grandes cantidades de productos industriales.
Pero, es seguro, que en el futuro los científicos le darán mayor uso a la gran cantidad de información biológica y genómica que se encuentra actualmente en las bases de datos y diseño, creando nuevas combinaciones de genes con funcionalidades deseadas o incluso son funciones que por el momento no existen en la naturaleza.
Un lazo con la biotecnología microbiana
La biología sintética ha ampliado la capacidad de mejorar el rendimiento de las vías metabólicas y el fenotipo celular, usando e implantando elementos de control genético, genes optimizados y circuitos genéticos. Además, proporciona una interfaz en donde la ingeniería de proteínas, la evolución dirigida y la síntesis de ADN pueden encaminar el campo de la ingeniería metabólica.
Quizá las principales aplicaciones de estas herramientas pertenecen al campo de la biotecnología microbiana, la cual tiene como objetivo reorganizar los sistemas celulares para la producción de compuestos de interés industrial, lo que aún es bastante complejo debido a lo complicado de las interconexiones del metabolismo y su regulación.
Desafíos como la falta de estabilidad genómica de los catalizadores de células enteras cuando portan construcciones de ADN complejas, dependencia de medios líquidos estériles y la dificultad del procesamiento posterior para recuperar los productos de interés, hacen que el uso industrial real de cepas modificadas se limite principalmente a moléculas de alto valor agregado producidas en fermentaciones de volumen pequeño a mediano.
Un grupo de científicos de la Universidad de Jiangnan-China, indican que la biología sintética proporciona circuitos genéticos que podrían funcionar como herramientas para diseñar el comportamiento celular, para poder vigilar a los microorganismos mediante entradas sensoriales con dispositivos de control, basados en el trasplante de bucles de retroalimentación que irían acopladas a dichas entradas sensoriales, una buena alternativa para el control dinámico de los metabolismos.
Herramientas para construir consorcios microbianos sintéticos.
Fuente: Obtenido de McCarty e Ledesma (2019)
Una mirada hacia los consorcios microbianos
Otro enfoque de la biología sintética evalúa el comportamiento de especies individuales dentro de un consorcio, incluyendo el control de la población, la distribución de tareas y la organización espacial, además, refuerza estos consorcios con el uso de modelos computacionales, que permiten predecir e inferir la dinámica de la población en el tiempo.
Los consorcios microbianos se han utilizado en procesos biotecnológicos, como la fermentación, el tratamiento de residuos y la agricultura. En la actualidad, los biólogos sintéticos están aprovechando estos consorcios para diversas aplicaciones, incluida la bioproducción de medicamentos, biocombustibles y biomateriales a partir de fuentes de carbono económicas.
Consorcios microbianos sintéticos en los bioprocesos del futuro.
Fuente: Elaboración propia a partir de McCarty e Ledesma (2019)
Las características únicas de los consorcios microbianos los convierten en una plataforma atractiva para los científicos interesados en esta área y que buscan modificar microorganismos para aplicaciones biotecnológicas. Por lo tanto, el campo de la biología sintética se está expandiendo cada vez más desde un enfoque en la ingeniería de organismos individuales a una disciplina que, tiene como objetivo diseñar especies dentro de comunidades dinámicas.
Entonces, herramientas como la biología sintética se pueden utilizar para construir y controlar consorcios manipulando redes de comunicación, regulando la expresión génica a través de entradas exógenas y manipulando interacciones sintróficas mejorando la capacidad para utilizar sustratos complejos, la compartimentación de las vías y la distribución de las cargas moleculares, beneficiando de esta manera a los procesos de la biotecnología microbiana.
Una mejor comprensión de los ecosistemas microbianos naturales y el desarrollo de nuevas herramientas para construir consorcios sintéticos y programar sus comportamientos ampliarían enormemente las funciones que pueden realizar las comunidades de microorganismos interactuantes dentro de los procesos industriales.
Por otro lado, es claro que no estaríamos hablando de Biología Sintética si no se incluye a aminoácidos, bases, proteínas, genes, circuitos, células cuyas propiedades se han ido caracterizando cuantitativamente y en herramientas de modelado de software que ayudan a poner partes juntas para crear una nueva función biológica. En este sentido, es interesante y alentador lo rápido que está creciendo el número de piezas y circuitos, como se puede ver en el Registro de piezas biológicas estándar del MIT.
En mi opinión, en un mundo ideal, diseñar sistemas vivos con un propósito práctico debería ser un proceso más rápido. Sin duda, con una constante investigación, el software, y los conocimientos adecuado sobre el sistema de destino, una nueva bacteria podría empezar a producir etanol a partir del agua, o CO2, con la misma velocidad en el que hoy en día se rediseñan automóviles o computadoras.
Comments