Biologia sintètica

Archiu:Synthetic Biology Open Language ( CAPS 0 ) standard visual symbols.png

Símbols visuals estàndart del llenguage obert de biologia sintètica (SBOL) per a usar en BioBricks Standard

La biologia sintètica es definix com la síntesis de biomoléculas o ingenieria de sistemes biològics en funcions noves que no es troben en la naturalea. És una disciplina que, a diferència de la biologia, no es basa en l'estudi dels sers vius, sino que intenta redissenyar sistemes biològics que ya existixen en la naturalea. La Biologia sintètica crea nous organismes programables, és dir, crea microorganismes a la carta que es comporten com a menuts ordenadors.

Tecnologies de Biologia sintètica

Expansió del còdic genètic

l'ADN està compost per 4 parells de bases nucleotídicas: A (adenina), T (timina), C (citosina) i G (guanina). Per mig d'un procés denominat transcripció les bases nucleotídicas de el ADN es transformen en ARN, que a la seua volta està compost per a (adenina), C (citosina), G (guanina) i O (Uracilo) en lloc de timina. A continuació té lloc la traducció de ARN a proteïnes. En este procés, per mig de combinacions de 4 bases nucleotídicas de el ARN s'obtenen 64 possibles combinacions de tres bases anomenades codones, que són específics d'un aminoàcit. 61 d'estos codones es corresponen en els 20 aminoàcits naturals, degut a que existixen duplicació que provoquen que més d'un codón codifique per a un mateix aminoàcit. Els atres 3 codones restants es denominen codones de terminació i constituïxen senyals de terminació que interrompen la síntesis de proteïnes. Els primers passos en el disseny de noves formes de vida consistixen en el disseny de microorganismes que utilisen un còdic genètic diferent al que actualment ampren totes les formes de vida existents en la terra. Per mig de l'introducció de noves unitats sintètiques en la seua ADN, estos organismes posseirien proteïnes sintètiques.

Circuits genètics

El circuit genètic consistix en un conjunt de gens que participen en la digestió de la lactosa en la bactèria E. coli. Un gen regulador denominat repressor es troba normalment encés, mantenint el metabolisme de la digestió de la lactosa inactiu. Quan la lactosa està present en el mig, la bactèria apaga el repressor.

Els circuits genètics formats per gens i els seus reguladors es comporten de forma equivalent a circuits electrònics realisant operacions booleanas o llògiques.

En concret, els circuits genètics es descriuen per mig de diagrames semblants als que s'ampren en els circuits elèctrics, en nodos que representen a determinats gens i fleches que indiquen atres gens als que regulen els primers.

L'activació d'estos gens oscila entre els estats d'encés i apagat a mida que la senyal es propaga pel circuit, produint a la seua volta oscilacions periòdiques en la concentració de les proteïnes que codifiquen. L'arquitectura d'estos circuits és cíclica i en ells cada gen inhibix al següent i és inhibit per l'anterior, raó per la qual a este tipo de circuits se'ls denomina osciladors.

Genoma mínim

Per a conseguir construir microorganismes artificials és necessari un requisit previ, identificar la configuració mínima de gens necessaris per a permetre a les cèlules artificials replicar-se de manera autònoma, és dir, el seu genoma mínim teòric. Estos fins ara hipotètics microorganismes podrien derivar-se de microorganismes naturals en una mínima colecció de gens (microorganismes mínims) o podrien ser generats d'un modo totalment sintètic usant un grup de gens essencials (microorganismes sintètics).

El procés necessari per a identificar el genoma mínim dels microorganismes sintètics es pot realisar per diversos métodos, que van des de l'identificació de gens essencials per mutagénesis fins a l'anàlisis d'homologia de seqüències gèniques per mig de ferramentes bioinformáticas. Una tercera alternativa consistix en l'estudi de sistemes biològics que, de forma natural, han experimentat una reducció del seu material genètic.

Evolució dirigida

El disseny de circuits genètics es realisava en els seus començos per mig d'estratègies combinatòries en les quals els components individuals del circuit es ensamblan in vitro, i posteriorment s'introduïen en una cèlula per a observar el seu comportament.

Un método alternatiu que no necessita d'un coneiximent previ sobre els detalls de la funció del circuit és l'evolució dirigida. Est és un procés que s'aprofita de l'habilitat de les cèlules per a sobreviure front a una pressió selectiva. Una de les tècniques que ampra esta estratègia és el denominat barallat de ADN o molecular breeding. El barallat de ADN consistix en la recombinació de múltiples seqüències de ADN per a crear llibreries de gens quiméricos. Els gens quiméricos posteriorment s'inserten en vectores d'expressió i es transferixen a una cèlula hoste, en l'objectiu de seleccionar aquelles seqüències quiméricas que posseïxquen les característiques desijades. La principal ventaja d'esta tècnica radica que permet dissenyar circuits complexos que posseïxen múltiples interaccions entre sí. Esta estratègia ha segut amprada en el disseny de rets sintètiques a partir de mutacions conegudes, que posteriorment es milloren per mig d'evolució dirigida.

Ingenieria genètica in silico

Fins a la data, s'ha conseguit dissenyar circuits genètics simples amprant diverses estratègies in viu tals com l'expansió del còdic genètic, l'evolució dirigida o l'identificació i síntesis de genomes mínims. No obstant, el principal factor limitante d'estes estratègies radica en l'impossibilitat de predir el comportament d'un circuit en el seu mig natural. La verdadera biologia sintètica té com a objectiu la construcció de models que puguen predir de forma precisa cóm es comportaria este circuit genètic en l'interior de les cèlules. Les cèlules estan subjectes a canvis constants que inclouen estrés del mig i mutacions genètiques que afecten a la seua habilitat per a créixer i propagar-se. Les simulacions realisades per mig d'Ingenieria Genètica in silico, deuen tindre en conte este tipo de circumstàncies per a dotar de realisme als models que es creuen. Les simulacions per ordenador són una ferramenta bàsica de la biologia sintètica, sempre i quan mantinguen els principis d'estandardisació dels components del model i optimisació dels circuits dissenyats.

Biologia molecular no convencional

L'objectiu de l'estratègia de la «biologia molecular no natural» és crear noves varietats de vida que es basen en un tipo diferent de biologia molecular, com a nous tipos d'àcits nucleicos o un nou còdic genètic, com per eixemple, la vida especular. La creació de nous tipos de nucleòtits que puguen incorporar-se a àcits nucleicos únics podria conseguir-se modificant certs components de el ADN o ARN, com les bases o els sucres de la cadena principal. Es podria alterar el còdic genètic insertant codones cuádruples o modificant alguns codones per a codificar nous aminoàcits, lo que posteriorment permetria l'us d'aminoàcits no naturals en característiques úniques en la producció de proteïnes.

Es formaria un nou tipo de vida per mig d'organismes en un genoma construït sobre àcits nucleicos sintètics o sobre un sistema de codificació totalment nou per a aminoàcits sintètics. Este nou estil de vida tindria alguns beneficis, pero també alguns nous perills. En lliberar-los en el mig ambient, no hi hauria transferència horisontal de gens ni cruzamiento de gens en espècies naturals. Ademés, estos tipos d'organismes sintètics podrien ser creats per a requerir materials no naturals per a la síntesis de proteïnes o àcits nucleicos, lo que els faria incapaços de prosperar en la naturalea si escaparen accidentalment. Per un atre costat, si estos organismes finalment pogueren sobreviure fòra de l'espai controlat, podrien tindre una ventaja particular sobre els organismes naturals perque serien resistents als organismes vius depredadors o als virus naturals, lo que podria dur a una propagació descontrolada dels organismes sintètics. Recentment es va publicar un metaestudio advertint els potencials perills sobre la creació de nous tipos de biomoléculas.

Aplicacions de la biologia sintètica

Biomedicina

Aplicacions de la biologia sintètica

La medicina serà una de les àrees que més es beneficiarà dels alvanços en esta nova disciplina, en concret les àrees sobre les que tindrà una major repercussió seran el desenroll de nous fàrmacs, la teràpia gènica, la reparació i ingenieria de teixits i la reprogramación celular.

Fàrmacs

Un fàrmac compost per una envolta sintètica que conté una molècula que en detectar un indicador concret, activa la lliberació del fàrmac. L'administració d'este tipo de fàrmacs ha de ser senzilla i només deu activar-se quan el pacient desenrolle la malaltia.
Un eixemple d'esta tecnologia pot ser el disseny de microorganismes que detecten canvis en la concentració d'hormones, i com a resposta donen lloc a la secreció de composts químics o biològics. Esta estratègia requerix del desenroll de materials d'encapsulación aixina com d'enzimes que produïxquen la lliberació del fàrmac.

Genómica personalisada

Artícul principal → Genómica personalisada.

La biologia sintètica permetrà obtindre un coneiximent més ampli de la complexitat de les malalties i, per tant, serà possible desenrollar fàrmacs a la carta. Açò es realisarà gràcies a les tecnologies pròpies d'este camp com són la creació de circuits genètics i l'ingenieria genètica in silico. Per mig d'estes tecnologies es podran crear models tant teòrics com a experimentals que permetran provar la resposta o efectes secundaris d'un fàrmac front als distints models dissenyats en el laboratori. Com a conseqüència, els fàrmacs del futur estaran ajustats a les necessitats del pacient en la seua formulació, dosis, cinètica de lliberació, i patró de glucosilación.

També s'entén per la busca del fàrmac o combinació de fàrmacs existents -dins dels protocols existents o inclús al marge d'ells- que poden ser més eficaços en un pacient concret. La comprovació de dita eficàcia és prèvia al tractament i es desenrolla en laboratori per mig de proves i tests sobre teixits o mostres in vitro del pacient.

Teràpia genètica

Consistix en el disseny i modificació de virus per a transportar gens a teixits concrets i conseguir la recombinació i integració dels mateixos de forma eficient en el genoma del pacient. Esta aplicació constituiria un gran espente per a la teràpia gènica, que, despuix dels seus prometedors començos, no ha conseguit superar una de les seues grans barreres, la capacitat de dur el transgén a la cèlula diana, sobretot per al tractament del càncer o de síndromes genètics. Ademés de virus, també és possible el disseny de circuits biològics que detecten canvis fisiològics anormals en les cèlules i donen lloc a una resposta basada en la recombinació del gen anormal en el seu homòlec normal. Tant els virus com els circuits biològics sintètics poden ser amprats per a reconéixer i eliminar cèlules anormals, sent el càncer l'aplicació més immediata.

Reparació i regeneració de teixits

Esta aplicació es basa en el disseny de sistemes moleculars formats per sensors capaços de reconéixer l'existència de danys en determinats teixits, unit a un grup d'enzimas capaces de reparar el dany. Eixemples potencials podrien ser la regeneració endotelial dels gots sanguíneus en lesions vasculars i la reparació tisular a través de la regeneració de la matriu de colágeno.

Reprogramación celular

Les cèlules mare poden ser modificades de modo que adquirixquen noves propietats i posteriorment siguen introduïdes en pacients para, per eixemple, revertir una patologia. Esta teràpia podria ser d'utilitat en la reprogramación del sistema immune en l'objecte de combatre malalties infeccioses. La regeneració d'òrguens per mig d'estratègies d'reprogramación celular és una atra de les aplicacions potencials en biomedicina, procés comú en atres vertebrats com les salamandres o salamandres. Recentment s'ha fet entrega del premi nobel de medicina als «pares» de la reprogramación celular el japonés Shinya Yamanaka i el britànic John B. Gurdon, els qui han revolucionat l'investigació de cóm es desenrollen els organismes i les cèlules.