miniaturadeimagen|Símbolos visuales estándar del lenguaje abierto de biología sintética (SBOL) para usar con BioBricks Standard La biología sintética se define como la síntesis de biomoléculas o ingeniería de sistemas biológicos con funciones nuevas que no se encuentran en la naturaleza. Es una disciplina que, a diferencia de la biología, no se basa en el estudio de los seres vivos, sino que intenta rediseñar sistemas biológicos que ya existen en la naturaleza. La Biología sintética crea nuevos organismos programables, es decir, crea microorganismos a la carta que se comporten como pequeños ordenadores.

Tecnologías de Biología sintética

Expansión del código genético El ADN está compuesto por 4 pares de bases nucleotídicas: A (adenina), T (timina), C (citosina) y G (guanina). Mediante un proceso denominado transcripción las bases nucleotídicas del ADN se transforman en ARN, que a su vez está compuesto por A (adenina), C (citosina), G (guanina) y U (Uracilo) en lugar de timina. A continuación tiene lugar la traducción de ARN a proteínas. En este proceso, mediante combinaciones de 4 bases nucleotídicas del ARN se obtienen 64 posibles combinaciones de tres bases llamadas codones, que son específicos de un aminoácido. 61 de estos codones se corresponden con los 20 aminoácidos naturales, debido a que existen duplicaciones que provocan que más de un codón codifique para un mismo aminoácido. Los otros 3 codones restantes se denominan codones de terminación y constituyen señales de terminación que interrumpen la síntesis de proteínas. Los primeros pasos en el diseño de nuevas formas de vida consisten en el diseño de microorganismos que utilizan un código genético diferente al que actualmente emplean todas las formas de vida existentes en la tierra. Mediante la introducción de nuevas unidades sintéticas en su ADN, estos organismos poseerían proteínas sintéticas.

Circuitos genéticos El circuito genético consiste en un conjunto de genes que participan en la digestión de la lactosa en la bacteria E. coli. Un gen regulador denominado represor se encuentra normalmente encendido, manteniendo el metabolismo de la digestión de la lactosa inactivo. Cuando la lactosa está presente en el medio, la bacteria apaga el represor.

Los circuitos genéticos formados por genes y sus reguladores se comportan de forma equivalente a circuitos electrónicos realizando operaciones booleanas o lógicas.

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

La activación de estos genes oscila entre los estados de encendido y apagado a medida que la señal se propaga por el circuito, produciendo a su vez oscilaciones periódicas en la concentración de las proteínas que codifican. La arquitectura de estos circuitos es cíclica y en ellos cada gen inhibe al siguiente y es inhibido por el anterior, razón por la cual a este tipo de circuitos se les denomina osciladores.

Genoma mínimo Para lograr construir microorganismos artificiales es necesario un requisito previo, identificar la configuración mínima de genes necesarios para permitir a las células artificiales replicarse de manera autónoma, es decir, su genoma mínimo teórico. Estos hasta ahora hipotéticos microorganismos podrían derivarse de microorganismos naturales con una mínima colección de genes (microorganismos mínimos) o podrían ser generados de un modo totalmente sintético usando un grupo de genes esenciales (microorganismos sintéticos).

El proceso necesario para identificar el genoma mínimo de los microorganismos sintéticos se puede realizar por diversos métodos, que van desde la identificación de genes esenciales por mutagénesis hasta el análisis de homología de secuencias génicas mediante herramientas bioinformáticas. Una tercera alternativa consiste en el estudio de sistemas biológicos que, de forma natural, han experimentado una reducción de su material genético.

Evolución dirigida El diseño de circuitos genéticos se realizaba en sus comienzos por medio de estrategias combinatorias en las cuales los componentes individuales del circuito se ensamblan in vitro, y posteriormente se introducían en una célula para observar su comportamiento.

Un método alternativo que no necesita de un conocimiento previo acerca de los detalles de la función del circuito es la evolución dirigida. Este es un proceso que se aprovecha de la habilidad de las células para sobrevivir frente a una presión selectiva. Una de las técnicas que emplea esta estrategia es el denominado barajado de ADN o molecular breeding. El barajado de ADN consiste en la recombinación de múltiples secuencias de ADN para crear librerías de genes quiméricos. Los genes quiméricos posteriormente se insertan en vectores de expresión y se transfieren a una célula huésped, con el objetivo de seleccionar aquellas secuencias quiméricas que posean las características deseadas. La principal ventaja de esta técnica radica en que permite diseñar circuitos complejos que poseen múltiples interacciones entre sí. Esta estrategia ha sido empleada en el diseño de redes sintéticas a partir de mutaciones conocidas, que posteriormente se mejoran mediante evolución dirigida.

Ingeniería genética in silico Hasta la fecha, se ha conseguido diseñar circuitos genéticos simples empleando diversas estrategias in vivo tales como la expansión del código genético, la evolución dirigida o la identificación y síntesis de genomas mínimos. 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 biología sintética tiene como objetivo la construcción de modelos que puedan predecir de forma precisa cómo se comportaría este circuito genético en el interior de las células. Las células están sujetas a cambios constantes que incluyen estrés del medio y mutaciones genéticas que afectan a su habilidad para crecer y propagarse. Las simulaciones realizadas mediante Ingeniería Genética 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 básica de la biología sintética, siempre y cuando mantengan los principios de estandarización de los componentes del modelo y optimización de los circuitos diseñados.

Biología molecular no convencional El objetivo de la estrategia de la «biología molecular no natural» es crear nuevas variedades de vida que se basen en un tipo diferente de biología molecular, como nuevos tipos de ácidos nucleicos o un nuevo código genético, como por ejemplo, la vida especular. La creación de nuevos tipos de nucleótidos que puedan incorporarse a ácidos nucleicos únicos podría lograrse modificando ciertos componentes del ADN o ARN, como las bases o los azúcares de la cadena principal. Se podría alterar el código genético insertando codones cuádruples o modificando algunos codones para codificar nuevos aminoácidos, lo que posteriormente permitiría el uso de aminoácidos no naturales con características únicas en la producción de proteínas.

Se formaría un nuevo tipo de vida mediante organismos con un genoma construido sobre ácidos nucleicos sintéticos o sobre un sistema de codificación totalmente nuevo para aminoácidos sintéticos. Este nuevo estilo de vida tendría algunos beneficios, pero también algunos nuevos peligros. Al liberarlos en el medio ambiente, no habría transferencia horizontal de genes ni cruzamiento de genes con especies naturales. Además, estos tipos de organismos sintéticos podrían ser creados para requerir materiales no naturales para la síntesis de proteínas o ácidos nucleicos, lo que los haría incapaces de prosperar en la naturaleza si escaparan accidentalmente. Por otro lado, si estos organismos finalmente pudieran sobrevivir fuera del espacio controlado, podrían tener una ventaja particular sobre los organismos naturales porque serían resistentes a los organismos vivos depredadores o a los virus naturales, lo que podría llevar a una propagación descontrolada de los organismos sintéticos. Recientemente se publicó un metaestudio advirtiendo los potenciales peligros sobre la creación de nuevos tipos de biomoléculas.

Aplicaciones de la biología sintética

Biomedicina miniaturadeimagen|250x250px|Aplicaciones de la biología sintética La medicina será una de las áreas que más se beneficiará de los avances en esta nueva disciplina, en concreto las áreas sobre las que tendrá una mayor repercusión serán el desarrollo de nuevos fármacos, la terapia génica, la reparación y ingeniería de tejidos y la reprogramación celular.

Fármacos Un fármaco compuesto por una envuelta sintética que contiene una molécula que al detectar un indicador concreto, activa la liberación del fármaco. La administración de este tipo de fármacos ha de ser sencilla y sólo debe activarse cuando el paciente desarrolle la enfermedad. Un ejemplo de esta tecnología puede ser el diseño de microorganismos que detecten cambios en la concentración de hormonas, y como respuesta den lugar a la secreción de compuestos químicos o biológicos. Esta estrategia requiere del desarrollo de materiales de encapsulación así como de enzimas que produzcan la liberación del fármaco.

Genómica personalizada

La biología sintética permitirá obtener un conocimiento más amplio de la complejidad de las enfermedades y, por tanto, será posible desarrollar fármacos a la carta. Esto se realizará gracias a las tecnologías propias de este campo como son la creación de circuitos genéticos y la ingeniería genética in silico. Mediante estas tecnologías se podrán crear modelos tanto teóricos como experimentales que permitirán probar la respuesta o efectos secundarios de un fármaco frente a los distintos modelos diseñados en el laboratorio. Como consecuencia, los fármacos del futuro estarán ajustados a las necesidades del paciente en su formulación, dosis, cinética de liberación, y patrón de glucosilación.

También se entiende por la búsqueda del fármaco o combinación de fármacos existentes -dentro de los protocolos existentes o incluso al margen de ellos- que pueden ser más eficaces en un paciente concreto. La comprobación de dicha eficacia es previa al tratamiento y se desarrolla en laboratorio mediante pruebas y tests sobre tejidos o muestras in vitro del paciente.

Terapia genética Consiste en el diseño y modificación de virus para transportar genes a tejidos concretos y conseguir la recombinación e integración de los mismos de forma eficiente en el genoma del paciente. Esta aplicación constituiría un gran empuje para la terapia génica, que, tras sus prometedores comienzos, no ha conseguido superar una de sus grandes barreras, la capacidad de llevar el transgén a la célula diana, sobre todo para el tratamiento del cáncer o de síndromes genéticos. Además de virus, también es posible el diseño de circuitos biológicos que detecten cambios fisiológicos anormales en las células y den lugar a una respuesta basada en la recombinación del gen anormal con su homólogo normal. Tanto los virus como los circuitos biológicos sintéticos pueden ser empleados para reconocer y eliminar células anormales, siendo el cáncer la aplicación más inmediata.

Reparación y regeneración de tejidos Esta aplicación se basa en el diseño de sistemas moleculares formados por sensores capaces de reconocer la existencia de daños en determinados tejidos, unido a un grupo de enzimas capaces de reparar el daño. Ejemplos potenciales podrían ser la regeneración endotelial de los vasos sanguíneos en lesiones vasculares y la reparación tisular a través de la regeneración de la matriz de colágeno.

Reprogramación celular