En 2010 aparecieron bacterias indicadoras, que cambian de color en presencia de determinadas sustancias. Al principio, se utilizaban "sensores vivientes" para detectar la contaminación por mercurio en el agua, pero pronto empezaron a utilizarse en todas partes. Desde 2015, la profesión de cazador de pigmentos se ha vuelto muy demandada, encontrando pinturas raras y sus genes en plantas y animales exóticos. Alrededor del año 2040 se pusieron de moda los yogures con la bacteria del ácido láctico transgénica E. chromi, que ayuda a diagnosticar enfermedades intestinales por el color de la secreción. Diez años después, apareció en la escena política el Frente de Liberación Naranja (OLF), una organización terrorista que luchaba por la preservación del color naranja natural de la fruta. A principios de la década de 2070, la división climática de Google llenó la atmósfera con microbios que colorean el aire cuando los niveles de dióxido de carbono alcanzan niveles peligrosos. “Cuando la mañana se pone roja, Google dice: '¡Peligro!'”, explica una canción infantil popular. Y aunque las primeras predicciones de Daisy Ginsberg no se hicieron realidad, este es exactamente el futuro que nos prepara la biología sintética y la capacidad de crear nuevas formas de vida.
Organismos sintéticos para restablecer el equilibrio de los ecosistemas naturales en una era de extinción masiva. La ilustración muestra una biopelícula autorreplicante que elimina los contaminantes del aire.
La biología moderna, especialmente un campo tan complejo como la biología sintética, no parece un pasatiempo adecuado para un diseñador y arquitecto. Pero detrás de esto hay un concepto claro: según Daisy Ginsberg, el principio básico del diseño es cambiar el entorno natural por y para las personas. Por lo tanto, al menos desde la Revolución Industrial del siglo XVIII, el diseño se ha ocupado de “traducir” del lenguaje de las nuevas soluciones tecnológicas y conceptos científicos al lenguaje de las cosas, productos producidos en masa que nos rodean por todas partes. El motor de combustión interna es ingeniería, el coche ya es diseño; elemento piezoeléctrico - física, encendedor - diseño.
Para Ginsberg el diseño es lo que distingue lo natural de lo cultural, los objetos naturales de los creados por el hombre; lo que controlamos de lo que es incontrolable. En este sentido, los mosquitos transgénicos desarrollados por la empresa británica Oxitec son también un producto de diseño. Aunque no producen descendencia viable, en la naturaleza compiten con éxito por aparearse con sus homólogos salvajes y reducen el número de portadores de malaria y otras infecciones peligrosas. El "arroz dorado" también debería considerarse un producto de diseño que contiene una cantidad significativa de betacaroteno y es capaz de resolver el problema de la deficiencia de vitamina A en algunos países del tercer mundo. Y seguramente el resultado del diseño es una cepa sintética de Mycoplasma laboratorium con un genoma obtenido artificialmente. Nuevos organismos con nuevas funciones son el resultado de la aplicación del pensamiento de diseño, únicamente en el campo de la biología sintética.
Patologías Sintéticas (2009-2010) Una opción alarmante: los genes artificiales acaban en microbios comunes y provocan la aparición de nuevas enfermedades extrañas. Daisy Ginsberg: "Esta nueva especie es un híbrido de bacterias productoras de fibra de vidrio y bacterias que responden a la contaminación del aire".
Progreso versus evolución
Si el diseño es la frontera que separa lo natural y lo cultural, entonces no debemos asumir que las áreas de ambos lados están en conflicto. Lo cultural surge de lo natural y lo mejora, al menos desde el punto de vista humano. Lo natural es producto de la evolución, que siempre responde a los desafíos del momento y es incapaz de una planificación o diseño inteligente. La evolución no está familiarizada con el concepto de “mejor”; los osos modernos no son mejores que los dinosaurios, simplemente están mejor adaptados a las condiciones actuales. El mundo cultural se desarrolla obedeciendo las leyes del progreso humano: una lámpara incandescente es mejor que velas y antorchas, un LED es mejor que un filamento de tungsteno.
Contenedor para cultivo de organismos electrosintéticos: células artificiales en diferentes etapas de crecimiento.
Sin embargo, en el campo del diseño de los seres vivos, hasta hace poco el hombre sólo podía participar en la evolución dirigiendo la acción de la selección artificial, hasta que teníamos en nuestras manos los medios para manipular el genoma, poderosas herramientas de progreso que pueden ser en comparación con el surgimiento de la producción de máquinas de precisión. Hoy en día, estas tecnologías están listas para cambiar la “naturaleza misma de la naturaleza”, para transformar una vez más el mundo y, mientras tanto, Daisy Ginsberg está tratando de comprender cómo será.
Como muchos biólogos, el artista considera que lo que está sucediendo en este ámbito es una nueva revolución: “El coste de la secuenciación y la síntesis del ADN está cayendo rápidamente. Las tecnologías de modificación genética CRISPR han ampliado el abanico de posibilidades disponibles. Cada año algo cambia”, dijo Daisy durante una conferencia en el foro PopTech. — Seguramente aparecerán microbios genéticamente modificados para limpiar la contaminación por petróleo o normalizar la acidez del suelo. El uso de mosquitos modificados ya es una realidad”.
Alexandra Daisy Ginsberg, Sascha Pohflepp, Andrew Stellitano
Organismos genéticamente modificados creados para misiones espaciales de larga distancia y capaces de proporcionar delicias a los astronautas. Daisy Ginsberg: “Capa tras capa de fruta artificial es producida por bacterias que pueden aprovechar la energía de la electricidad en lugar de la luz solar”.
Reino sintético
Los organismos completamente sintéticos son producto del progreso tecnológico, no de la evolución biológica, y no están obligados en absoluto a imitar a los seres naturales. Al tener sólo una base bioquímica común con ellos, pronto están listos para separarse en su propia rama del árbol de la vida. El superreino está a la par de las bacterias, las arqueas y los eucariotas y se desarrolla de acuerdo con sus propias leyes, establecidas tanto por la naturaleza como por las personas. El funcionamiento de estas leyes es el principal tema de interés para Daisy Ginsberg. ¿Cómo sería una planta convertida en una fábrica viviente? Un diseño razonable responderá a esto: como un taller especializado que produce una pieza a partir de un biopolímero. Cuando está maduro, cae del fruto abierto y está listo para ser ensamblado con otros frutos de plantas sintéticas para producir un dispositivo útil completo.
Es significativo que en una serie de bocetos de Growth Assembly, creados en 2009, dicho dispositivo resulte ser un rociador de herbicidas, una herramienta vital para una persona que vive en un mundo en el que la biotecnología es completamente libre. La artista no hace la vista gorda ante los peligros potenciales de tal futuro, y en el proyecto Synthetic Kingdom presentó una serie de consecuencias bastante aterradoras, cuya prevención debe cuidarse de antemano. Según Ginsberg, la transferencia horizontal de genes entre organismos sintéticos y naturales podría provocar que los microbios de los dientes produjeran, por ejemplo, pigmentos que les dieran colores brillantes, y una "fuga genética" de una fábrica de bioelectrónica podría provocar una epidemia de cálculos renales fosforescentes.
El dispositivo, un pulverizador de herbicida, se cultiva en plantas genéticamente modificadas en forma de piezas individuales. Daisy Ginsberg: “Ya no es necesario enviar los productos a todo el mundo, solo hay que entregar las semillas”.
Sin embargo, ni siquiera esto hace que las biotecnologías destaquen demasiado entre los logros humanos: ninguna de las tecnologías anteriores o existentes está exenta de efectos secundarios negativos. El crecimiento de la civilización moderna ya ha provocado una disminución tan rápida de la biodiversidad que los científicos llaman con confianza la Sexta Extinción Global en la historia de la vida en la Tierra. Pero así como los pasos anteriores en el desarrollo permitieron resolver muchos problemas generados por tecnologías anteriores, la biología sintética está lista para “curar” la biosfera del planeta. Babosas artificiales para restaurar el equilibrio ácido-base del suelo, erizos artificiales para dispersar semillas e incluso extraños organismos translúcidos que infectan las plantas y filtran sus jugos para eliminar patógenos: otro proyecto de Daisy Ginsberg y otro toque del futuro biotecnológico. Si creemos que el progreso realmente conduce de bien a mejor, entonces podemos estar de acuerdo en que eso es exactamente lo que será.
Alexandra Daisy Ginsberg, Londres
Educación: Universidad de Cambridge (arquitectura), Universidad de Stanford (diseño), Royal College of Art (diseño de interacción)
La capacidad de controlar los procesos que ocurren en un organismo vivo está limitada únicamente por nuestra imaginación. Muy pronto, los investigadores podrán “programar” células vivas para que produzcan biocombustibles a partir de fuentes renovables, “hacerlas” evaluar la presencia de toxinas en el medio ambiente o producir insulina en la cantidad necesaria por el organismo... parece que muy Pronto la ingeniería genética no será más complicada que la ingeniería tradicional y trabajar con células vivas será tan fácil como trabajar con una computadora normal. Una fórmula simplificada para la biología sintética se puede expresar de la siguiente manera: “leer las secuencias genéticas de las proteínas que realizan funciones específicas, obtener todas las “partes” necesarias, ensamblarlas en estructuras proteicas complejas y luego colocar estas estructuras en una célula viva y fabricarlas. ellos funcionan. La vida se basa en un código genético universal, y la biología sintética propone, de hecho, crear una especie de “caja con piezas y herramientas universales”, es decir, una versión biológica de un conjunto de transistores e interruptores que, si es necesario, pueden , insertarse en el lugar correcto en la cadena de reacciones bioquímicas que ocurren en la célula.
Sin embargo, tales analogías no cierran la brecha entre lo que sabemos sobre los sistemas vivos y cómo funcionan realmente. "Hay pocas reacciones bioquímicas que entendamos tan bien como el funcionamiento de un destornillador o un transistor"., afirma Rob Carlson, uno de los líderes de la empresa de biotecnología Biodesic (EE.UU.). Sin embargo, las dificultades aparecen junto con la complicación del sistema, y en algún momento ya no podemos modelar tal o cual proceso, ya que resulta estar asociado con varios procesos más igualmente complejos. En 2009, los científicos encontraron un patrón interesante: a pesar de que en los últimos años el número de publicaciones científicas dedicadas a la descripción de nuevas vías bioquímicas ha aumentado significativamente, la complejidad de estas vías recientemente descritas, o, en otras palabras, el número de Por el contrario, el número de unidades reguladoras en estas vías ha comenzado a disminuir.
Surgen obstáculos en cada paso de los procesos de modelado en sistemas vivos: desde la caracterización de los componentes hasta el ensamblaje del sistema completo. “Hoy la biología toma mucho prestado de la ingeniería”, dice Christina Agapakis, estudiante de doctorado en biología sintética en la Facultad de Medicina de Harvard en Boston. Sin embargo, los problemas no detienen a los investigadores y hoy la mayoría de ellos identifican cinco problemas principales de la biología sintética que deben resolverse para un mayor desarrollo de esta área.
Se desconocen muchos detalles de los sistemas biológicos.
Las partes de la estructura biológica son muy diversas: incluyen secuencias de ADN específicas que codifican proteínas específicas, regiones reguladoras de genes y una gran variedad de proteínas y otros elementos de las vías bioquímicas. Desafortunadamente, la mayoría de estas partes aún no están suficientemente caracterizadas o no están caracterizadas en absoluto, razón por la cual, al intentar modelar una estructura completa, un investigador se enfrenta a una gran cantidad de incógnitas, cada una de las cuales puede afectar significativamente las propiedades y el comportamiento de el sistema modelado. Además, al intentar aclarar las funciones de una u otra "parte", los investigadores se enfrentan al hecho de que cuando se prueba en diferentes laboratorios, la misma proteína, por ejemplo, se comporta de manera diferente y también puede funcionar no solo de manera diferente, sino también directamente. funciones opuestas en diferentes tipos de células.
En Estados Unidos, en el Instituto Tecnológico de Massachusetts, se creó el Registro de Partes Biológicas Estándar, o mejor dicho, el Registro de Partes Biológicas Estándar, donde se pueden encontrar y solicitar más de 5.000 “partes” caracterizadas estándar: genes, promotores. , sitios de unión a ribosomas, terminadores de la transcripción, plásmidos, cebadores, etc. Sin embargo, el director de registro, Randy Rettberg, no garantiza que todas estas piezas funcionen bien. La mayoría de ellos fueron sintetizados por estudiantes que participaron en el concurso iGEM (International Genetically Engineered Machine). Este concurso se celebra anualmente desde 2004. Los participantes crean nuevos sistemas biológicos sintéticos utilizando conjuntos de “piezas” ya preparadas o sintetizando otras nuevas. Desafortunadamente, la mayoría de los participantes no tienen suficiente tiempo y conocimiento para dar una descripción detallada de cada de novo"parte" sintetizada.
Arroz. 2. Las “partes” de los sistemas biológicos se representan como ladrillos LEGO. Se pueden encontrar fotografías similares en revistas. El neoyorquino(izquierda) y cableado. Los autores de las revistas presentan la biología moderna como una construcción sencilla a partir de los conocidos "cubos". La verdad es que no sabemos cuántos de estos cubos funcionan, y aquellos que parecen entenderse bien pueden comportarse de manera impredecible cuando se combinan con otros cubos o cuando las condiciones cambian (Fotos: J. Swart; M . Knowles).
En un intento por optimizar el metabolismo de la lactosa en las bacterias, el equipo iGEM de la Universidad de Pavía en Italia probó varios promotores del Registro insertándolos en el ADN bacteriano. Escherichia coli. La mayoría de los promotores sí trabajaron (sólo uno resultó inactivo), pero de muchos de ellos prácticamente no se sabía nada. Rettberg dice que hasta la fecha, expertos independientes han demostrado que 1.500 de las “piezas” recopiladas en el Registro funcionan como predijeron sus creadores, 50 no funcionan en absoluto o se comportan de manera completamente diferente a lo que se pensaba anteriormente, mientras que el resto aún no se ha probado.
Los creadores del Registro están tratando de mejorar la calidad de su colección involucrando a expertos independientes en su trabajo e invitando a investigadores que trabajan con "partes" ordenadas a enviar sus datos sobre el funcionamiento de una "parte" particular en varios sistemas biológicos. Los especialistas involucrados en la selección de “partes” para el Registro secuencian la secuencia de nucleótidos de cada nueva “parte”. También actualmente, los profesores Adam Arkin y Jay Keasling de la Universidad de California, Berkeley, junto con el profesor Drew Endy de la Universidad de Stanford, están desarrollando el programa BIOFAB, cuyo objetivo es la síntesis y el estudio de "detalles" nuevos y existentes de la vida. sistemas. A finales del año pasado, la Fundación Nacional de Ciencias de Estados Unidos asignó 1,4 millones de dólares para esta investigación. El proyecto prevé, entre otras cosas, el desarrollo de métodos con los que será posible estandarizar el trabajo en diferentes laboratorios y comparar los datos obtenidos por diferentes investigadores. Los ideólogos de BIOFAB creen que podrán reducir al menos a la mitad la variabilidad de los datos de diferentes laboratorios, que surge debido a la falta de condiciones estándar para trabajar con biosistemas.
Los objetivos de BIOFAB pueden parecer simples, pero desarrollar estándares para trabajar con sistemas vivos es una tarea muy difícil. Por ejemplo, cuando se introduce una construcción genética en una célula de mamífero, es imposible controlar la integración de esta construcción en el ADN de la célula; en otras palabras, los genes introducidos terminan en cualquier parte del genoma y pueden afectar la expresión de genes ubicados cerca, lo que causará efectos impredecibles. Martin Fussenegger, profesor de biotecnología y bioingeniería en el Instituto Federal Suizo de Tecnología, cree que los sistemas biológicos son demasiado complejos para que sea posible introducir normas comunes.
El funcionamiento de los sistemas biológicos es impredecible.
Incluso si se conoce la función de cada componente de un sistema, juntos pueden funcionar de manera impredecible, y los biólogos a menudo tienen que trabajar mediante prueba y error. "Todavía estamos, como los hermanos Wright, intentando pegar un avión con trozos de madera y trozos de papel"., afirma Luis Serrano, investigador del Centro de Regulación Genómica de Barcelona. “Lanzas una estructura al aire, pero cae y se rompe. Lanzas otro y probablemente vuele un poco mejor"..
Arroz. 3. “Las células son muy fáciles de reprogramar”. Revistas Científico americano Y Espectro IEEE describió la biología sintética como algo tan simple como el diseño de microchips o microcircuitos. Pero si bien las simulaciones por computadora pueden ayudar a los investigadores a predecir el comportamiento celular, una célula es un sistema complejo, variable y en constante evolución, y lo que sucede en ella es órdenes de magnitud más complejo que lo que sucede en una computadora (Imágenes: Slim Films, H. Campbell) .
El bioingeniero Jim Collins y sus colegas de la Universidad de Boston en Massachusetts fracasaron en su intento de hacer que el llamado sistema de interruptor de palanca funcionara en levadura. Hace unos diez años, en su laboratorio, se creó un sistema de este tipo en una célula bacteriana. E. coli: los investigadores introdujeron una construcción genética en una célula que, en el estado de reposo de la célula, expresaba un gen (llamémoslo gen A) y, bajo cierta influencia química, cambiaba a la expresión de otro gen (llamémoslo gen B). Sin embargo, al principio las células se negaron a sintetizar constantemente el producto del gen B; después de que se eliminó el tratamiento químico, inevitablemente regresaron a la síntesis del producto del gen A. El problema, como explicó Collins, era que los promotores del dos genes funcionaban de forma desequilibrada, razón por la cual el gen A siempre se expresaba más activamente que el gen B. Los científicos tuvieron que pasar unos 3 años para que el sistema funcionara correctamente.
Las simulaciones por computadora pueden ayudar a resolver el problema de “adivinar la función” constantemente en la biología sintética. En 2009, Collins y sus colegas crearon varias versiones ligeramente diferentes de los dos promotores. En una versión, ambos promotores se utilizaron para crear un "temporizador genético", un sistema que hace que una célula pase de expresar un gen a expresar otro después de un tiempo determinado. Una vez creado y probado dicho sistema, sus parámetros se introdujeron en un programa informático especialmente desarrollado que, basándose en ellos, podía calcular el comportamiento del sistema en el caso de utilizar otras variantes de los mismos promotores. Así, el experimento demostró que, en principio, el modelado por computadora puede reducir significativamente el tiempo dedicado a estudiar el comportamiento de los sistemas vivos, ya que no será necesario probar cada sistema en el laboratorio, será posible simplemente ingresar sus parámetros; el programa y obtener un modelo de su comportamiento.
No todos los sistemas bioquímicos funcionan suficientemente bien en una célula: los sistemas imperfectos pueden mejorarse mediante la llamada evolución dirigida, que implica mutaciones en el ADN de la célula, evaluación del rendimiento de los sistemas resultantes "en la práctica", selección de los de mejor rendimiento opciones y su preservación. También se puede modelar el proceso de evolución dirigida de enzimas y otras proteínas, según Francis Arnold, del Instituto Tecnológico de California en Pasadena, que utiliza esta técnica en su laboratorio para obtener enzimas implicadas en la producción de biocombustibles.
La complejidad de los sistemas es demasiado grande.
Cuanto más complejos se vuelven los sistemas biológicos, menos realistas se vuelven su construcción artificial y sus pruebas. Kisling y sus colegas han desarrollado un sistema artificial para la síntesis del precursor molecular del compuesto antipalúdico, la artemisinina. Este sistema involucra doce genes diferentes y es el trabajo más exitoso y citado en el campo de la biología sintética hasta la fecha. El líder del estudio estimó que se necesitaron unas 150 personas-año para descubrir todos los genes implicados en el proceso y desarrollar un sistema sintético en el que se controlara la expresión de cada gen. Por ejemplo, los investigadores tuvieron que probar muchas opciones para la interacción de los componentes del sistema para que en la síntesis del producto final no se formara un producto intermedio tóxico.
"La gente ni siquiera piensa en iniciar proyectos como este porque requieren demasiado tiempo y dinero"., dice Reshma Shetty, cofundadora de Ginkgo BioWorks en Estados Unidos. La empresa desarrolla esquemas automatizados para combinar "partes" genéticas (fragmentos de ADN que codifican proteínas, promotores, etc.) en sistemas con propiedades específicas. Los fragmentos de ADN originales se sintetizan de tal manera que un robot puede combinarlos. Las reglas para sintetizar fragmentos para que puedan ensamblarse en un todo único están definidas en el llamado Estándar BioBrick.
En Berkeley, un grupo de científicos dirigido por J. Christopher Anderson está desarrollando un sistema en el que todo el trabajo de ensamblar "piezas" no lo realiza un robot, sino una bacteria. Utilizando técnicas de ingeniería genética en células E. coli colocan genes para enzimas que pueden cortar y pegar moléculas de ADN de cierta manera. Estas células se denominan “células ensambladoras”. Otras células bacterianas se modifican de tal manera que pueden seleccionar las moléculas necesarias entre las muchas sintetizadas. Estas celdas se denominan “celdas de selección”. Para transferir ADN de "células recolectoras" a células de "selección", los investigadores proponen utilizar fagémidos, plásmidos obtenidos de virus bacteriófagos. Anderson cree que el sistema bacteriano podrá hacer frente al trabajo realizado por el robot en dos días y en sólo tres horas.
Muchas estructuras sintéticas son incompatibles con la vida.
Creado in vitro y las construcciones genéticas sintéticas colocadas en las células pueden tener efectos impredecibles. Chris Voigt de la Universidad de California en San Francisco ha estado trabajando en este problema desde 2003. Voigt utilizó construcciones genéticas basadas en fragmentos de ADN bacteriano. Bacillus subtilis, para crear un sistema para expresar ciertos genes en respuesta a un estímulo químico. Quería estudiar la construcción genética resultante fuera de la célula. B. subtilis, así que lo transfirí a las células E. coli Sin embargo, en otras bacterias el sistema dejó de funcionar.
“Al examinar el cultivo bacteriano al microscopio, vimos que las células estaban enfermas., dice Voigt, Un día el sistema se comportó de una manera, al otro de otra." Resultó que introducir en las células. E. coli La construcción genética extraña condujo a la alteración de la expresión de proteínas vitales. “Todo estuvo bien con el diseño genético en sí., - el científico se sorprende, - Lo que pasa es que una de sus partes resultó ser incompatible con la vida de la bacteria”..
Investigadores dirigidos por el profesor Lingchong You de la Universidad de Duke (EE.UU.) han descubierto que incluso un sistema de expresión simple formado por un único gen cuyo producto estimula su propia síntesis puede provocar cambios importantes en la célula huésped. Activado en las células. E. coli, la construcción genética sintética condujo a la inhibición del crecimiento bacteriano, lo que, a su vez, provocó un aumento en la concentración de proteína sintética en el cultivo celular. Como resultado, en el cultivo se observó el fenómeno de la llamada biestabilidad: algunas células produjeron la proteína de interés, mientras que en otras su producción estaba bloqueada.
Para reducir la probabilidad de efectos inesperados, los investigadores están desarrollando sistemas "ortogonales" que funcionan en la célula independientemente de los procesos naturales. El biólogo Jason Chin y sus colegas del Laboratorio de Biología Molecular del Consejo de Investigación Médica de Cambridge crearon un sistema de producción de proteínas en E. coli, trabajando de forma completamente independiente de los procesos bioquímicos naturales de la célula. En este sistema, la síntesis de ARN mensajero basado en ADN se lleva a cabo mediante una ARN polimerasa específica que reconoce un promotor genético específico, que en su secuencia de nucleótidos difiere de los promotores propios de la célula. El ARN mensajero (ARNm) resultante, llamado O-ARNm ("ARNm ortogonal"), se une al O-ribosoma, que también es un componente del sistema artificial y es capaz de sintetizar proteínas sólo a partir del O-ARNm. sin interactuar con los propios ARNm de la célula.
Así, surge un sistema paralelo en la célula que no destruye procesos vitales y los componentes de este sistema pueden modificarse. Por ejemplo, al experimentar con su sistema, los investigadores eliminaron una sección de ADN que codifica parte del ribosoma O, como resultado de lo cual se aceleró la producción de proteínas.
Otra solución es aislar físicamente la estructura molecular sintética dentro del interior de la célula. Wendell Lim, de la Universidad de California en San Francisco, está experimentando con la creación de estructuras de membrana dentro de las cuales puedan operar construcciones genéticas sintéticas. Los investigadores están trabajando con células de levadura de panadería, pero creen que se podrían aplicar principios similares a las bacterias.
La variabilidad destruye el sistema.
Los científicos quieren estar seguros de que los sistemas artificiales que crean sean estables en el tiempo, pero los procesos moleculares en la célula están sujetos a fluctuaciones aleatorias. Estas fluctuaciones pueden deberse a razones tanto internas como externas, por ejemplo, cambios en las condiciones de cultivo. Desafortunadamente, las mutaciones que ocurren aleatoriamente en el propio genoma de una célula pueden conducir a la destrucción de un sistema artificial.
Michael Elowitz y sus colegas del Instituto Tecnológico de California en Pasadena crearon hace diez años el primer oscilador genético y evaluaron la influencia en él de los cambios aleatorios que ocurren en la célula. El oscilador genético era un sistema de tres genes, cuya interacción conducía a la síntesis de una proteína fluorescente, y esta síntesis no ocurría constantemente, sino por períodos, como resultado de lo cual las células comenzaron a parpadear. Sin embargo, este proceso no se produjo de la misma forma en todas las células. Algunos eran más brillantes, otros más oscuros, algunos parpadeaban con frecuencia, otros rara vez y, en algunos, la naturaleza del parpadeo y la intensidad del brillo cambiaron con el tiempo.
Arroz. 4. Anticipación de descubrimientos increíbles en los diseñadores de revistas de biología sintética. Naturaleza describieron cómo los humanos adquirieron la capacidad de crear vida sintética (derecha), y sus colegas del Grupo ETC compararon las actividades de los científicos con “jugar a ser Dios”. Sin embargo, la realidad es que todavía quedan muchos problemas sin resolver en este campo, y sus logros aún están muy lejos de su aplicación práctica (imágenes: R. Page/ETC Group; número 1 de Adventures in Synthetic Biology. Historia: Drew Endy & Isadora Deese Arte: Chuck Wadey).
Elowitz cree que estas diferencias podrían surgir por diversas razones. Una célula puede expresar genes de forma continua o intermitente. Esto se debe, entre otras cosas, a la cantidad total de ARNm que contiene y a la carga de trabajo de los sistemas productores de proteínas, como las polimerasas y los ribosomas.
Jeff Hasty y su equipo de biología sintética de la Universidad de California en San Diego describieron un oscilador genético más estable en 2008. Utilizando una construcción genética diferente y controlando completamente las condiciones de cultivo, los científicos se aseguraron de que todas las células del cultivo tuvieran el mismo patrón de expresión de proteínas fluorescentes y, en consecuencia, el mismo patrón de parpadeo. También muy recientemente, los investigadores han demostrado que la sincronización del parpadeo se puede lograr mediante interacciones entre células. El líder del trabajo cree que, en lugar de intentar deshacerse de la influencia de los procesos celulares en el sistema sintético, se pueden utilizar reacciones bioquímicas naturales, adaptándolas a sus propias necesidades. Destaca que en física, por ejemplo, el ruido a veces no interfiere, sino que, por el contrario, ayuda a detectar una señal útil. "Si no puedes vencerlo, tendrás que aprender a usarlo"., explica Hastie. Por ejemplo, el "ruido" permite que las células respondan a la introducción de una construcción sintética de manera ligeramente diferente, lo que hace que el cultivo sea más resistente a los cambios en las condiciones externas.
Otra línea de investigación, liderada por George Church de la Facultad de Medicina de Harvard en Boston, busca formas de producir líneas bacterianas estables. Church cree que la variabilidad de los procesos moleculares naturales se puede reducir, nuevamente, cambiando artificialmente el genoma de la célula, introduciendo en ella sistemas de replicación de ADN más precisos, modificando regiones del genoma propensas a mutaciones y aumentando el número de copias de su genoma en la célula. . Esta dirección también es muy importante, ya que la estabilidad de una célula viva, que no es muy importante para los sistemas sintéticos simples, se vuelve extremadamente importante cuando se construyen sistemas complejos.
¿Es hora de practicar?
A pesar de todas las dificultades, la biología sintética se está desarrollando activamente. Los investigadores ya han conseguido obtener líneas E. coli, cuyas células son capaces de contar eventos, por ejemplo el número de sus propias divisiones, y reconocer zonas iluminadas y oscuras del entorno. Se han obtenido construcciones sintéticas que funcionan no solo en células bacterianas, sino también en células más complejas. Están surgiendo nuevos centros para el estudio de la biología sintética y nuevos programas en las universidades.
El sistema de obtención del precursor de la artemisinina obtenido por el grupo de Kisling casi ha encontrado su aplicación comercial. La empresa francesa Sanofi-Aventis se interesó en él y tiene previsto sacar el constructo genético al mercado en 2012. Varias otras empresas están interesadas en producir biocombustibles sintéticos. Los investigadores creen que esto es sólo el comienzo.
La biología sintética es un nuevo campo de la ciencia que reúne a ingenieros, físicos, biólogos moleculares y químicos para utilizar principios de ingeniería para conectar componentes biomoleculares: genes, proteínas y otros componentes en nuevas estructuras y redes. Se espera que estas estructuras actualizadas se utilicen para reprogramar organismos vivos, otorgándoles nuevas propiedades necesarias para resolver problemas en el campo de la salud, la seguridad energética, la producción de alimentos y el desarrollo ambiental. Esta rama interdisciplinaria de la ciencia surgió debido al interés por el genoma humano. A mediados de los años 1990. El Proyecto Genoma Humano comenzó a publicar datos sobre partes de los genomas de varios organismos. Los principales científicos en este campo han llegado a la conclusión de que el próximo desafío será determinar cómo funcionan estas partes del genoma, interactúan entre sí y se ensamblan en redes y vías. Esto puede proporcionar información sobre cómo estas vías determinan los procesos biológicos y las enfermedades.
El principal problema de esta investigación fue la falta de los datos necesarios y las tecnologías apropiadas para la llamada ingeniería inversa y reproducción de la estructura de las redes naturales. A pesar de esto, muchos ingenieros, incluidos mis colegas de laboratorio y yo, estábamos extremadamente interesados en trabajar en el campo de la genómica y la biología molecular. Pero en lugar de desarrollar métodos de ingeniería inversa y reproducir la estructura de las redes naturales, pensamos como los ingenieros suelen pensar: ¿podríamos construir algo nosotros mismos, combinando estructuras que en este caso eran "húmedas" y no "húmedas"? seco" en el sentido que se utiliza en ingeniería eléctrica. Junto con Tim Gardner, uno de mis alumnos en ese momento, fundamos un nuevo campo al introducir este enfoque. Así que nos sentamos y nos preguntamos si podríamos crear un circuito de ingeniería, modelarlo matemáticamente para entender cómo funcionaría y luego encontrar partículas que serían el equivalente biológico de los componentes del circuito electrónico. A continuación, utilice métodos de biología molecular para ensamblar las partículas en un todo único en plásmidos o ADN, introdúzcalas en una célula y vea si este diseño funcionará como debería.
Tim y yo desarrollamos diferentes enfoques y armamos diferentes circuitos a lo largo de 9 meses, y luego decidimos centrarnos en el interruptor de palanca. Esta idea surgió de trabajos en ingeniería electrónica relacionados con interruptores de palanca o interruptores de palanca. Un interruptor de palanca en ingeniería electrónica es una forma de memoria, un circuito muy simple que tiene dos posiciones: 0 y 1, o estados de encendido y apagado, conmutados por un pulso, como un pulso eléctrico o un pulso de luz. Los dispositivos que utilizamos constantemente (iPhone, iPad, ordenadores personales) se componen de millones, si no miles de millones, de estos interruptores. Tim y yo nos preguntamos, ¿cómo podemos hacer un diseño similar en una célula, en una bacteria? El esquema final que se nos ocurrió fue extremadamente simple. Teníamos dos genes interconectados, organizados de tal manera que ambos tendían a estar "encendidos". Su comportamiento estaba determinado por los llamados promotores constitutivos, que actúan como interruptores de genes y son secciones de ADN. Los organizamos en una cadena, la proteína producida para la proteína A tiende a unirse al interruptor de la proteína B, apagándolo. La proteína producida por el gen B tiende a unirse al interruptor del gen A, apagándolo. Por lo tanto, todos quieren estar encendidos e intentan apagar el segundo. El resultado es una red que se inhibe mutuamente.
En principio, puede configurar este circuito para que tienda a existir en uno de dos estados estables: ya sea el estado A (el gen A está activado, el gen B está desactivado) o el estado B (el gen B está activado, el gen A está desactivado). También es posible cambiar el estado mediante la administración de un estímulo químico o un cambio ambiental que desactive el gen activo. Digamos que la cadena está en el estado A. Si se pudiera introducir una sustancia química que inactivara temporalmente el gen A o su proteína, y asegurar que la sustancia química permanezca allí el tiempo suficiente, el gen B, que tiende a activarse, pero se mantiene desactivado por gen de actividad A, podrá producir su proteína, y cuando su concentración sea lo suficientemente alta, desactivará el gen A, y usted podrá eliminar del sistema la sustancia química que desactivó el gen A. De esta manera, puede cambiar la posición de la cadena del estado A al estado B, y así sucesivamente. Este es el principio básico de funcionamiento.
Tim y yo comenzamos a trabajar en 1999 con el modelado matemático del proceso, lo que nos permitió hablar sobre su desempeño potencial. Entonces Charles Cantor, nuestro colega de la Universidad de Boston, bioingeniero, se involucró y nos permitió trabajar en su laboratorio. Tim en ese momento entendía lo suficiente sobre biología molecular e ingeniería genética como para crear la bacteria E. coli. Creó varias bacterias similares, una que respondía a la exposición a dos sustancias químicas diferentes y otra a la exposición a una sustancia química y a un choque térmico. Tim era un bioingeniero tan talentoso que en nueve meses pudo activar un comportamiento similar a un interruptor de palanca en un estado casi estable dentro de E. coli. Paralelamente a nuestro trabajo, Mike Elowitz y Stan Liebler estaban trabajando en el mismo problema, quienes crearon un circuito oscilador represivo con tres genes: el gen A intentó desactivar el gen B, el gen B intentó desactivar el gen C y el gen C intentó desactivar el gen B. para desactivar el gen A. En principio, se trata de un oscilador en anillo, que debería tener un circuito intermitente. Mike y Stan también construyeron su circuito dentro de la bacteria E. Coli. El trabajo fue publicado en enero de 2000 en la revista Nature y marcó el comienzo del desarrollo del campo de la biología sintética.
Ahora es posible imaginar que es posible crear un circuito que proporcione memoria a una célula, y esto ha inspirado a personas en el campo de la bioprogramación. Sugirieron que tal vez fuera posible programar una célula, como si fuera un circuito. Y aunque ha habido un enorme interés en la bioprogramación, sería un error pensar que este trabajo reemplaza los circuitos electrónicos de nuestras computadoras. Es más correcto pensar en la programación celular como la capacidad de asignar diversas funciones y tareas a las células. Y este es el tema principal de la biología sintética. Por ejemplo, estamos utilizando interruptores de palanca para crear biosensores de células completas que podrían programar organismos para detectar la presencia de metales pesados como el plomo o sustancias químicas peligrosas como patógenos o sustancias químicas que dañan el ADN. Sería posible liberar estos organismos al medio ambiente o ponerlos dentro del cuerpo de alguien, o utilizarlos para comprobar productos importados para ver si hay plomo en la pintura de un juguete importado; ¿Hay un brote de ántrax en el edificio gubernamental? La belleza de los interruptores de palanca es que puedes recordar recuerdos, almacenar información sobre eventos para verificar si eventos similares han ocurrido antes.
También hemos utilizado interruptores similares basados en ARN, que nos permiten activar y desactivar dinámicamente múltiples genes dentro de una célula para reorganizar el proceso metabólico. Ahora también estamos trabajando con varias empresas de biotecnología para determinar cómo podemos poner en práctica nuestros hallazgos y mejorar la eficiencia del uso de los organismos creados. Por ejemplo, convertir la biomasa en recursos energéticos, combustible, incluidos, posiblemente, diésel, etanol y butanol.
También es muy interesante cómo podemos utilizar métodos de biología sintética y programar organismos para resolver problemas en el campo de la atención sanitaria. Por ejemplo, hemos creado un bacteriófago que combatirá las biopelículas bacterianas. Las biopelículas son colonias de bacterias adheridas a una superficie. Esto es placa en los dientes, placa en los caparazones, placa en las partes submarinas de los barcos. Nos interesa combatir las biopelículas, ya que las bacterias que se encuentran dentro de estas colonias son varias veces más resistentes a los antibióticos que las bacterias individuales. Cuando se realizan operaciones para trasplantar órganos artificiales: inserciones óseas, válvulas cardíacas, estimuladores cerebrales, etc. El principal riesgo no es la operación en sí, sino la posibilidad de infección con una biopelícula. Aceptamos este desafío y decidimos intentar resolver el problema utilizando bacteriófagos. Los bacteriófagos son virus que atacan exclusivamente a las bacterias; los creamos para introducirlas en bacterias o colonias bacterianas. Pasarán por una fase lítica, creando numerosas copias de sí mismas, iniciando procesos que conducen a la alteración de la integridad de la célula, y luego millones de duplicados cazarán otras bacterias. La principal dificultad es que no se puede penetrar debajo de la capa principal de biopelícula, por lo que creamos bacteriófagos que pueden destruir gradualmente las capas de biopelícula, trayendo cada vez más bacterias a la superficie. De esta manera, pudimos hacer que el procedimiento para combatir las biopelículas sea un 99,99% más efectivo en comparación con los métodos existentes tanto en implantes artificiales como en instalaciones industriales.
Mi alumno Tim Lu, que dirigió la investigación, junto con otro estudiante Mike Karras, querían encontrar aplicaciones comerciales para estos desarrollos, empezando por el campo de la atención sanitaria. Pero luego se interesaron por utilizar la tecnología en el ámbito industrial. Después de todo, estas biopelículas aparecen en cualquier mecanismo que esté expuesto a la humedad durante mucho tiempo. Las biopelículas aparecen en sistemas de aire acondicionado, tuberías y fábricas de papel. Tim y Mike comenzaron a crear bacteriófagos para combatir las biopelículas en instalaciones industriales. Pero surgieron dificultades en este ámbito y el foco de su investigación se centró en la búsqueda y reconocimiento de patógenos en hospitales y en la producción de alimentos. El objetivo que casi han conseguido es que para tal trabajo sea necesario crear sólo 10 bacterias en un periodo de menos de una hora, gastando menos de 10 dólares en el procedimiento.
No queremos quedarnos ahí y estamos intentando buscar otras formas de utilizar nuestras tecnologías para combatir las enfermedades infecciosas. Ahora, con el apoyo financiero de la Fundación Gates, estamos creando probióticos que reconocen y combaten una variedad de infecciones. Por ejemplo, estamos desarrollando lactobacilos para combatir el cólera infeccioso. Los diseñamos para responder a dos señales diferentes del patógeno del cólera y producir péptidos antimicrobianos específicos del cólera. Lo bueno de esta solución es que los medicamentos para el cólera son muy caros y pueden resultar bastante tóxicos. Ahora, esencialmente, podemos agregar nuestro organismo anticólera al yogur para contrarrestar un aumento de cólera como el de Haití después del terremoto, o podemos empaquetar este organismo en una pastilla. Cualquiera de los métodos sería mucho más barato y menos tóxico que desarrollar un fármaco. El único grupo de personas que experimentará los efectos de este medicamento serán aquellos que hayan estado expuestos a la bacteria del cólera.
Creo que en las próximas décadas veremos cómo la biología sintética cambiará nuestras vidas en una variedad de áreas: producción de energía o alimentos, atención médica o incluso resolución de problemas ambientales. Una de las preguntas científicas más intrigantes es cómo se crean los circuitos naturales y cómo funcionan los procesos naturales. Podemos aprender mucho de los organismos naturales que han evolucionado a lo largo de millones, y en algunos casos miles de millones, de años, han creado circuitos y redes funcionales y han realizado tareas bastante complejas, a veces en entornos muy hostiles. Y creo que la biología sintética, aunque me centro principalmente en aplicaciones primarias, puede ser muy útil en el campo de la ciencia básica, permitiéndonos entender cómo funcionan los organismos en general.
El bioingeniero James Collins sobre la programación de células vivas, biopelículas y la creación de probióticos:
Existe tal área de la biología: Biología sintética. En general, ya tiene diez años, se está desarrollando muy rápidamente, de vez en cuando algunas noticias aparecen en publicaciones de divulgación científica, pero parte de esto se me pasó por alto. Y de repente lo encontré, leí algunos artículos y quedé muy impresionado.
La idea principal de la biología sintética es sintetizar a nivel genético cosas que no aparecieron o no quedaron fijadas en la evolución de la vida en la Tierra.
La palabra "cosas" puede significar una función o algo material; por ejemplo, nuevas proteínas o incluso nuevos aminoácidos, a partir de los cuales se pueden construir tipos de proteínas completamente nuevos. Y a partir de estos nuevos “ladrillos”, los biólogos sintéticos están tratando de construir, ni siquiera programar, nuevas opciones para la vida. Esto es como la ingeniería genética, pero a un nivel completamente nuevo: aquí no trasplantan el gen de un organismo a otro, aquí intentan "calcular" una nueva forma de vida desde cero e introducirla en una célula viva real.
¿Qué funciones se pueden implementar aquí y cómo? Hasta ahora, el "juego" más común es programar en las células nuevos "relojes" genéticos moleculares que no existen en la naturaleza (la mayoría de las veces son bacterias). E. coli). He aquí un ejemplo clásico (Nature, 2000): en una célula se lanzan tres proteínas (A, B, C), que pueden ser producidas por la propia célula, pero que se suprimen mutuamente a lo largo de una cadena: A suprime B, B suprime C, C suprime A. B. Como resultado, surge un circuito de retroalimentación, pero con un retraso de tiempo. Y esto ya es suficiente para que en una colonia de bacterias en multiplicación comiencen las fluctuaciones en la concentración de estas moléculas, que pueden ser monitoreadas directamente por la proteína verde fluorescente (un subproducto en una de las etapas del ciclo). Resulta esta imagen:
Tenga en cuenta que el período de oscilación aquí es de horas, que es varias veces más largo que el período de división celular. Resulta que la información sobre en qué fase de la oscilación nos encontramos es transmitido genéticamente de generación en generación.
Al principio, este trabajo tenía inconvenientes: no todas las células participaban en la oscilación, había una gran dispersión de respuestas en toda la población y, con el tiempo, diferentes células perdieron el ritmo o empezaron a olvidar la fase. Sin embargo, estos problemas se fueron resolviendo gradualmente. En 2008, en el trabajo Un oscilador genético sintético rápido, robusto y sintonizable, la respuesta era fuerte, estable y uniforme, y hace apenas un mes se publicó el trabajo Un quórum sincronizado de relojes genéticos, en el que las células, comunicándose entre sí, Sincronizó con éxito en toda la población su reloj genético recién adquirido.
Destacaré por separado el papel de la física teórica. 6 años antes de 2008 trabajo en Phys.Rev.Lett. Se publicó el trabajo Synthetic Gene Network for Entraining and Amplifying Cellular Oscillations, en el que se construyó un modelo de tales oscilaciones y se estudió su diagrama de fases (por ejemplo, cuando cambia la fuerza de los bucles de retroalimentación). En el trabajo de 2008 se tuvo en cuenta la experiencia de este modelado (uno de los autores, por cierto, participó en ambos trabajos).
Por supuesto, ésta es sólo una posibilidad. Ahora, a partir de un conjunto de tales factores de transcripción, ya pueden crear elementos de circuitos lógicos, y parece que recientemente incluso introdujeron en la misma E. coli un registro digital real, que "contaba" el número de eventos de división. En general, aquí se abren perspectivas vertiginosas; consulte, por ejemplo, el popular artículo (bastante antiguo) Vida sintética. Es cierto que hacer todo esto no es tan sencillo: sobre las dificultades técnicas de este trabajo, consulte el material reciente de Nature: Cinco verdades amargas de la biología sintética.
Esto es ciertamente impresionante, pero eso no es todo. Además, más empinado.
Supongamos que queremos crear nuevas proteínas basadas no sólo en los 22 aminoácidos estándar, sino también en algunos aminoácidos nuevos. En principio, existen otros aminoácidos, pero la naturaleza no prevé la posibilidad de codificarlos en ARN. ¿Cómo podemos asegurarnos de que el ribosoma todavía los utilice en la síntesis de proteínas?
Una opción es obligar al ribosoma a mutar para que “se equivoque” en algún triplete no muy importante e inserte otro aminoácido. En principio, existía ese trabajo, pero de alguna manera todo salió con lentitud. Hace una semana se publicó el artículo Codificación de múltiples aminoácidos no naturales mediante la evolución de un ribosoma decodificador cuádruple, que implementa una solución completamente radical a este problema. Los autores de este trabajo lograron intencionalmente tal mutación de los ribosomas para que leyeran el código genético. no trillizos, sino cuatrillizos-- es decir. cuatro “letras” de ARN a la vez. Esto abre un enorme margen para codificar un montón de nuevos aminoácidos a la vez (un cuatrillizo puede codificar 256 combinaciones en lugar de 64 de un triplete).
Por ejemplo, los autores pudieron insertar un par de nuevos aminoácidos en la proteína calmodulina, que luego se conectaron entre sí en el espacio (formaron un entrecruzamiento cíclico), lo que fortaleció significativamente la estructura espacial tridimensional de la proteína. (ver Fig.
Durante diez mil años, la gente ha cultivado y manipulado plantas para obtener alimento. Todo comenzó con algo simple: guardar y seleccionar las semillas de más rápido crecimiento, de alto rendimiento, que contengan la mayor cantidad de nutrientes, etc. Esta forma de mejoramiento tradicional condujo eventualmente al desarrollo de cultivos híbridos, que se crearon cruzando dos líneas genéticamente diferentes del mismo género y generalmente de la misma especie. Estos cambios en las plantas fueron limitado por genes ya presente en las plantas.
Todo esto cambió dramáticamente con la llegada de la ingeniería genética en los años 1970 y 1980. hizo posible transferir genes entre especies, incluso entre especies de diferentes reinos, y cuando se insertaron genes individuales en plantas con la ayuda de bacterias, aparecieron por primera vez patentes para la vida. Desde entonces, los organismos genéticamente modificados, a menudo llamados organismos genéticamente modificados (), se han convertido en una característica omnipresente de la agricultura industrial en los Estados Unidos y representan aproximadamente el 88% del maíz, el 94% de la soja, el 90% de la canola, el 90% del algodón y el 95% de la remolacha azucarera cultivada en el país. Estos cultivos fueron desarrollados y patentados por empresas químicas, incluidas Monsanto Y Bayer, sus cultivos son capaces de soportar altas dosis de herbicidas o crear sus propios insecticidas.
Biología sintética: ingeniería genética extrema
En la segunda década del siglo XXI, es probable que veamos cambios aún más radicales, esta vez gracias al campo de rápido crecimiento conocido como biología sintética. Biología sintética es un término amplio utilizado para describir una simbiosis de nuevas biotecnologías que van más allá de los límites de lo que se puede lograr mediante la ingeniería genética “convencional”. En lugar de mover uno o dos genes entre diferentes organismos, la biología sintética permite reescribir el código genético en una computadora, trabajando con cientos o miles de secuencias de ADN a la vez, e incluso intenta rediseñar sistemas biológicos completos. Métodos de biología sintética, alcance y uso de secuencias genéticas nuevas y sintéticas. convirtiéndolo en una forma muy extrema de ingeniería genética.
La biología sintética es un campo incipiente pero de rápido crecimiento, con ventas anuales de más de 1.600 millones de dólares en la actualidad y que se espera que crezcan hasta 10.800 millones de dólares en 2016. Muchas de las mayores corporaciones energéticas, químicas, forestales, farmacéuticas, alimentarias y agroindustriales están invirtiendo en biología sintética. biología, creando empresas conjuntas, y algunos de estos productos ya han llegado a las industrias cosmética, alimentaria y médica, otros están en línea. Centran la mayor parte de su atención en la agricultura para crear la próxima ola de OGM, llamémoslos organismos modificados sintéticamente (SMO).
Organismos modificados sintéticamente
El gigante químico y biotecnológico Monsanto anunció recientemente una empresa conjunta con la empresa. Energía de zafiro, una empresa de algas biológicas sintéticas. Monsanto está interesado en las algas porque la mayoría de los tipos de algas se pueden producir diariamente, en comparación con los cultivos agrícolas tradicionales que sólo crecen una o dos veces al año. Monsanto espera aislar las características de las algas, pero a un ritmo mucho más rápido que el que se puede hacer con las plantas, para luego incorporarlas a los cultivos. Estas tecnologías permitirán que aumente el número potencial (y más extremo) de cultivos genéticamente modificados en nuestros campos.
Craig Venter, uno de los principales biólogos sintéticos que creó el primer sintético (en 2010) a partir del genoma de un patógeno caprino bastante simple, ha creado una nueva empresa Agradís, para centrarse en la aplicación de la biología sintética en la agricultura. Las actividades de Agradis tienen como objetivo crear cultivos "superiores" y métodos mejorados de crecimiento de cultivos y protección de plantas. La empresa planea crear ricino de alto rendimiento y sorgo dulce producir biocombustibles mediante "tecnologías genómicas" no reveladas.
Incluso hay planes para "mejorar" la fotosíntesis en las plantas utilizando biología sintética. Investigadores del Laboratorio Nacional de Energías Renovables ( Inglés Laboratorio Nacional de Energías Renovables) en Colorado creen que la eficiencia de la fotosíntesis se puede mejorar reorganizando la estructura de las plantas utilizando la biología sintética moderna y la manipulación genética. Utilizando biología sintética, estos ingenieros esperan construir plantas desde cero, comenzando con una cadena de aminoácidos, ampliando las capacidades de la planta, lo que significa que las plantas podrán convertir una gama más amplia de luz en energía que la fotosíntesis existente.
Otras aplicaciones de la biología sintética en la agricultura incluyen aromas alimentarios, condimentos, aceite de coco, aditivos alimentarios e incluso animales genéticamente modificados con genes sintéticos. Los aromas alimentarios pueden parecer seguros, pero en realidad plantean un nuevo conjunto de riesgos: riesgos económicos para los agricultores. Este mercado natural está valorado en 65 mil millones de dólares anuales y actualmente alimenta a pequeños agricultores, especialmente en países del hemisferio sur. Reemplazar la producción natural de estos productos con biología sintética en la biotecnología estadounidense y europea tendrá graves consecuencias socioeconómicas e incluso pobreza entre los pequeños agricultores.
Los peligros de la biología sintética
Si bien algunos de estos avances parecen prometedores, la biología sintética también tiene un lado oscuro. Si los OGM se liberan en el medio ambiente, ya sea intencionalmente (por ejemplo, como cultivos) o no (desde un laboratorio), pueden causar impactos graves e irreversibles en los ecosistemas. Los organismos sintéticos podrían convertirse en nuestros próximos organismos invasores, encontrando un nicho ecológico, desplazando poblaciones silvestres y alterando ecosistemas enteros. Los OGM provocarán una contaminación genética, como suele ocurrir con los OGM, y crearán contaminación genética sintética, que no se puede limpiar ni destruir. El uso de genes sintetizados en una computadora en lugar de los que existen originalmente en la naturaleza también planteará la cuestión de la seguridad humana y la posibilidad de que los OCM se conviertan en una nueva fuente de alérgenos y toxinas alimentarias.
La biología sintética creará secuencias de genes y ADN más peligrosas que no se habían encontrado anteriormente en la naturaleza. Nuestra capacidad para sintetizar nuevos genes está muy por delante de nuestra comprensión de cómo estos genes y los sistemas biológicos en los que están integrados funcionarán correctamente y no alterarán el equilibrio existente en la naturaleza. Ya es difícil evaluar la seguridad de un solo organismo genéticamente modificado, y la biología sintética llevará esto a un nivel extremadamente alto y peligroso. A día de hoy no existe ni un solo intento científico evaluando cuidadosamente el riesgo que representa para el medio ambiente y la salud humana cualquier organismo sintético, que puede tener decenas o cientos de secuencias genéticas completamente nuevas.
La biotecnología ya no está en gran medida regulada en Estados Unidos y en varios países del mundo que son los principales productores de OGM, y las OGM no harán más que ampliar los límites de este anticuado sistema de regulación gubernamental. Por ejemplo, el USDA controla los OGM mediante leyes sobre plagas de plantas porque la mayoría de ellos fueron producidos por virus de plantas. La biología sintética abre la posibilidad de que los OCM se obtengan sin virus vegetales, es decir, estos cultivos se convertirán en completamente incontrolable USDA u otros departamentos.
Nuestros modelos de evaluación de riesgos biotecnológicos rápidamente quedarán obsoletos. La seguridad de los OGM generalmente se determina sobre la base del principio de “equivalencia sustancial” con su contraparte natural. Esta idea de "equivalencia esencial" colapsará rápidamente con la aparición de OCM en el medio ambiente que contendrán genes que nunca antes habían existido en la naturaleza, y su padre es una computadora.
El fin de la agricultura industrial
La biología sintética puede ofrecernos algunas promesas, pero es un camino peligroso a seguir si no sabemos a dónde nos lleva. En las últimas décadas, la biotecnología agrícola ha creado una serie de problemas, muchos de los cuales se verán exacerbados por la biología sintética, entre ellos: la contaminación genética, las súper malas hierbas, la creciente dependencia de productos químicos industriales cada vez más tóxicos, vastas áreas de monocultivos insostenibles, propiedad intelectual batallas y litigios sobre los agricultores, una mayor concentración del control empresarial sobre los alimentos.
No tienes que ir muy lejos, porque "La agricultura tal como la conocemos desaparecerá", afirma Craig Venter sobre las perspectivas de la biología sintética en la agricultura. Debemos crear una agricultura industrial sin productos químicos tóxicos, reorientar nuestra energía en sistemas agrícolas como agroecología Y Agricultura ecológica. Por ejemplo, un estudio reciente del USDA encontró que cambios agrícolas simples y sostenibles, como la rotación de cultivos, producen altos rendimientos, reducen significativamente la necesidad de fertilizantes y herbicidas nitrogenados y reducen las toxinas en las aguas subterráneas, sin tener ningún efecto perjudicial en las ganancias de los agricultores. Estos sistemas han demostrado ser igual de productivos, si no más, que los sistemas agrícolas industriales, pero son claramente beneficiosos para nuestro planeta y nuestro clima y nos proporcionan alimentos más saludables y nutritivos que no dependen de tecnologías peligrosas, costosas y no probadas.
Prohibición de la liberación al medio ambiente y del uso comercial de biología sintética necesario para asegurar la capacidad de evaluar sus riesgos y poder controlarlos con el fin de proteger la salud humana y el medio ambiente.
