La biología sintética , o biología sintética, es una ciencia y biotecnología emergente que combina la biología y los principios de la ingeniería con el fin de diseñar y construir ("sintetizar") funciones y sistemas biológicos novedosos, con aplicaciones particulares desarrolladas por los sectores agro-farmacéutico, químico, agrícola. y sectores energéticos.
Los objetivos de la biología sintética son de dos tipos:
En su fase actual, la biología sintética tiene como objetivo sobre todo hacer la ingeniería biológica más simple y rápida, más accesible y menos costosa mediante el uso extensivo de principios de ingeniería ( estandarización , automatización , diseño asistido por computadora , etc.) que han demostrado su valía en otros más. campos maduros como la ingeniería civil o la electrónica . Para hacer esto, debe enfrentar desafíos de ingeniería específicos del "sustrato biológico", cuando los principios operativos de los sistemas biológicos o la evolución aún no se comprenden del todo.
Modificar los seres vivos o desviar ciertas funciones de ellos también plantea nuevas y complejas cuestiones filosóficas y éticas . En particular sobre el hecho de saber si es posible o deseable asimilar seres vivos a " máquinas " y con qué consecuencias, o sobre la cuestión de la patentabilidad de los seres vivos o sus productos, y más en general de la propiedad intelectual aplicada a los seres vivos. .
Los métodos de la biología molecular y, de manera más general, los conceptos que guían la ingeniería genética apenas habían cambiado desde la década de 1970, lo que limitaba la construcción de circuitos genéticos complejos y hacía que cada proyecto de ingeniería genética fuera hercúleo. Además, no se ha aplicado ninguna estrategia general de inversión en tecnologías básicas que permitan la fabricación rápida y fiable de componentes genéticos a bajo costo o el establecimiento de bibliotecas de componentes biológicos ampliamente caracterizados que puedan reutilizarse de forma genérica. Como resultado, la ingeniería genética seguía siendo más similar a la artesanía que a una verdadera ciencia de la ingeniería. Los conceptos clave de estandarización de los componentes biológicos utilizados, de “abstracción jerárquica” y “desacoplamiento” deberían permitir el uso de estos componentes en sistemas sintéticos cada vez más complejos .
A finales de los 90, algunos informáticos que se dedicaron a la biología como Tom Knight en el MIT se sintieron frustrados por la falta de organización y método del campo. Inspirándose en otras ciencias de la ingeniería, Knight introdujo el concepto de componente biológico estándar mediante la creación de Bio-Bricks (en inglés BioBricks ), componentes biológicos con varias funciones que pueden ensamblarse mediante un protocolo estandarizado. Durante el mismo período, en la Universidad de Berkeley, Roger Brent, Robert Carlson, Drew Endy y Adam Arkin, entre otros, sentaron las bases de lo que entonces llamaron biología “intencional” o “constructiva”, que luego se convertiría en biología. A diferencia de la ingeniería genética contemporánea, que consideran predominantemente aleatoria, abogan por un enfoque racional inspirado en métodos científicos de ingeniería más maduros para el diseño y la construcción de sistemas biológicos con funciones predecibles, de manera robusta. Posteriormente, IGEM pone en marcha una plataforma colaborativa en forma de biblioteca, el Registro de elementos de biología sintética .
El congreso Synthetic Biology 1.0 celebrado en el MIT en 2004 marcará el certificado de nacimiento “oficial” de la biología sintética contemporánea.
Los genetistas investigaron el organismo más pequeño conocido que se puede cultivar como una cepa pura en un entorno libre de estrés que proporciona los nutrientes necesarios. Esto era necesario para poder estudiar, reproducir (y posiblemente usar o patentar) un genoma correspondiente aproximadamente al conjunto mínimo de genes esenciales para la vida y reproducción de una bacteria.
La bacteria que mejor cumplía con estos criterios en ese momento era Mycoplasma genitalium, cuyo genoma (482 genes que codifican proteínas, con 580 kb) era también el más pequeño conocido entre todas las especies conocidas y cultivables.
Su genoma también presenta poca redundancia genómica y esta bacteria ( parásito obligado con un nicho ecológico restringido) tiene un metabolismo mínimo y comenzaba a ser bastante conocido.
Los genes esenciales del genoma de esta bacteria se identificaron desde finales de la década de 1990: de 482 genes que codifican proteínas, 382 son esenciales; para el 28% de ellos se desconoce la función de la proteína codificada. Interrumpir algunos aceleró el crecimiento de las bacterias.
En 2010, el iSSB ( Instituto de Sistemas y Biología Sintética ) fue el primer laboratorio de investigación en biología sintética con la ayuda de Genopole, la Universidad de Évry-Val-d'Essonne y el CNRS.
En 2010, el mSSB ( máster en Sistemas y Biología Sintética ) fue el primer máster en Biología Sintética (Universidad Paris-Saclay y Universidad Evry-Val-d'Essonne).
El gobierno abrió un sitio de “Biología sintética” en 2011, que promueve este aspecto de la biología, poco después de un informe de la OPECST centrado en la viabilidad de ciertas aplicaciones que se relacionan en particular con “los desafíos de la gobernanza, que tocan respectivamente en diametralmente opuestos posiciones sobre evaluación y gestión de riesgos, sobre la adecuación de la ley de propiedad intelectual y patentes, sobre la cuestión de la conveniencia de un debate público - en particular sobre la aceptación social de estos avances - y los problemas de financiación de la formación y la investigación ”
Siguiendo las recomendaciones de dos informes más recientes, se creó el observatorio de biología sintética para responder a la inquietud del Ministerio de Educación Superior e Investigación de seguir el desarrollo de la biología de síntesis y promover la realización de un debate equilibrado y razonado dentro de sociedad.
Los biólogos que buscan conocer el funcionamiento de los sistemas vivos naturales, algunos han propuesto verificar su comprensión actual de los seres vivos para construir una copia sintética (o una versión) de un sistema vivo . El trabajo pionero de Michael Elowitz sobre represores es un ejemplo de este enfoque: Elowitz había diseñado un modelo matemático de cómo funciona un oscilador genético en células vivas. Para comprobarlo, construyó una molécula de ADN que contenía el circuito según su modelo, lo colocó en bacterias y analizó el comportamiento del circuito. Leves diferencias entre lo que esperaba y lo que observó resaltaron que valía la pena crear una nueva disciplina científica. Dicho trabajo utiliza muchas matemáticas para predecir y modelar la dinámica de los sistemas biológicos antes de reconstruirlos o construir nuevos de forma experimental. Se ha utilizado una amplia gama de métodos matemáticos con precisión variable, siendo los más utilizados para describir interacciones entre moléculas y reacciones enzimáticas las ecuaciones diferenciales ordinarias y las ecuaciones diferenciales estocásticas . La teoría de grafos y redes Boolean también se utilizaron. Algunos ejemplos convincentes incluyen las obras de Adam Arkin y Alexander van Oudenaarden; ver también el número especial de PBS Nova sobre vida artificial.
Los ingenieros en el campo de la biotecnología ven la biología como una tecnología básica. La biología sintética incluye una amplia redefinición y extensión de la biotecnología, con el objetivo de poder diseñar y construir sistemas biológicos fabricados que procesen información, manipulen elementos químicos, produzcan energía o (nuevas moléculas) polímeros, alimentos, medicamentos ...) susceptibles de mejorar el medio ambiente o incluso los seres humanos. Uno de los aspectos que distingue a la biología sintética de la ingeniería genética convencional es su fuerte enfoque en el desarrollo de tecnologías fundamentales que hacen que la ingeniería biológica sea más fácil y confiable.
En los años 2000-2010, tres formas de hacer algo nuevo en la vida ( diseño metabólico para angloparlantes) parecían biotecnológicamente posibles:
Desde el punto de vista de la química orgánica, los sistemas biológicos son sistemas físicos compuestos por materiales químicos. Hace unos cien años, la química pasó del estudio de materiales químicos naturales al diseño y desarrollo de nuevos materiales químicos. Esta transición inauguró el campo de la química sintética . Dans le même esprit, certains aspects de la biologie de synthèse peuvent être vus comme une extension et une application de la chimie de synthèse à la biologie, et inclure des travaux allant de la création de nouveaux matériaux biochimiques jusqu'à l'étude des origines de la vida. Grupos de Eric Kool (adentro) en Stanford , desde Steven A. Benner (adentro) en la Universidad de Florida hasta Carlos Bustamante (adentro) en Berkeley y Jack Szostak en Harvard son buenos ejemplos de esta tradición. Ejemplos de biología sintética incluyen el trabajo pionero de Tim Gardner y Jim Collins (en) sobre la construcción de un interruptor codificado genéticamente, la competencia internacional de transgénicos basada en el registro de partes biológicas estandarizadas o "bioladrillos" de maquinaria.
Ingeniería metabólicaUna aplicación emblemática de la biología sintética es la construcción de vías metabólicas responsables de la síntesis de compuestos de interés como fármacos, biocombustibles o polímeros. Un buen ejemplo es el trabajo del laboratorio de Denis Pompon en el CNRS en Francia, que fue el primero en transferir con éxito una vía metabólica de los mamíferos a la levadura: la vía para la biosíntesis de hidrocortisona a partir de un azúcar simple en el medio de cultivo de la levadura reelaborada por integrando en ellos ocho genes de mamíferos implicados en la ruta de biosíntesis de hormonas esteroides y modificando cuatro genes de levadura para eliminar reacciones parasitarias inducidas por la introducción y expresión de estos genes extraños. Ocho años después, Jay Keasling de la Universidad de Berkeley reconstituyó en levadura la vía de síntesis de un compuesto antipalúdico, la artemisinina, integrando los genes de las enzimas de la planta que produce la sustancia en la naturaleza. Christina Smolke modificó las levaduras en 2014 "injertándolas" con un gen sintético de transformación de reticulina , construido a partir de extractos de secuencias de ADN de otros 23 organismos, para transformarlas en productores de opioides.
Reescritura genéticaLos " reescritores " son biólogos sintéticos que desean verificar la idea de que, dado que los sistemas biológicos naturales son tan complicados y no necesariamente óptimos, harían mejor en reconstruir el sistema natural que nos interesa desde cero, con el fin de proporcionar sustitutos diseñados ( sustitutos artificiales). que son más fáciles de entender y con los que interactuar más fácilmente. Se inspiran en la reelaboración , un procedimiento que a veces se utiliza para mejorar el software. Drew Endy y su grupo hicieron un trabajo preliminar en la reescritura. Los oligonucleótidos recolectados de un chip de ADN fabricado por fotolitografía o inyección de tinta de chip de ADN combinados con correcciones de errores de ADN permiten cambios de codones a gran escala en sistemas genéticos para mejorar la expresión génica o incorporar aminoácidos. Como en el ejemplo de T7 anterior, esto favorece un enfoque ex nihilo de la síntesis.
Avances en la reescrituraEn 2019, se publicaron varios artículos sobre la reescritura, incluido uno sobre la síntesis de cuatro bases artificiales que pueden caber en el ADN sin alterar su estructura termodinámica, así como otro sobre la recodificación completa de E. coli .
La síntesis de Hachimoji ha podido demostrar que la naturaleza tiene varias formas de producir ADN y de almacenar y transmitir información genética. Investigadores en Japón han realizado varios experimentos demostrando que la adición de estas bases no altera la estructura del ADN y que las secuencias que contienen estas bases pueden sufrir una cierta tasa de mutación y por tanto pueden evolucionar como cualquier otra secuencia de ADN natural. Además, esta adición artificial también permite aumentar potencialmente la densidad de la información contenida en una molécula de ADN (con más bases disponibles, hay más opciones de combinaciones y, por lo tanto, se puede encontrar más información en el mismo espacio) lo que podría resultar en formas de vida aún más complejas. Particularmente interesante para campos como la astrobiología , esta síntesis permite ampliar los criterios de búsqueda de vida extraterrestre .
La recodificación del genoma completo de la bacteria E. coli tenía como objetivo demostrar que un organismo no necesita 64 codones (la mayoría de los cuales son redundantes) para ser funcional. Luego, los investigadores reescribieron todo el genoma pero usando solo 61 codones, lo que libera 3 codones ya existentes en el cuerpo que pueden usarse para codificar aminoácidos sintéticos y, por lo tanto, la creación de nuevas proteínas. Este estudio demostró entonces que es posible aprovechar la redundancia ya existente en el código genético para integrar aminoácidos artificiales y que la simplificación del genoma no afecta la supervivencia del organismo.
Ejemplos de aplicacionesNuevos objetivos de la biología sintética aplicada: Los medios de comunicación y la literatura especializada citan en particular:
Esta ingeniería se presenta como capaz de contribuir quizás a enfrentar los principales desafíos ambientales, como el cambio climático , la falta de agua limpia, la agricultura y la silvicultura optimizadas, pero los organismos sintéticos también pueden presentar un alto riesgo para los ecosistemas naturales y la salud pública.
De hecho, los sistemas vivos muestran fuertes capacidades de adaptación y mutación. La producción de formas de vida artificiales o procesos metabólicos desconocidos en la naturaleza requiere, por tanto, precaución y la aplicación del principio de precaución . En términos de bioseguridad , los promotores de la biología sintética proponen generalmente combinar al menos tres tipos de cerraduras ;
En las condiciones científicas y técnicas actuales, ninguno de estos tres “candados” por sí solo ofrece protección absoluta, cierta o definitiva, porque no se pueden excluir adaptaciones inesperadas tras mutaciones espontáneas o intercambio de genes con otros organismos silvestres, artificiales o modificados. Según los impulsores de su uso, la combinación de estas tres barreras podría reforzar la seguridad ante fenómenos de adaptación biológica (un poco como una triple terapia , pero incluso la triple terapia tiene sus límites ya que una variante aparentemente resistente del virus VIH / SIDA apareció con bastante rapidez en América del Norte tras la triple terapia desarrollada para bloquear las adaptaciones de este virus ARN , que, como el de la influenza, sigue mutando).
Las nuevas aplicaciones biotecnológicas incorporan cada vez más precauciones , porque las adaptaciones recientes y a veces espectaculares de muchos microbios a los antibióticos , desde las plantas a los herbicidas, de los hongos a los fungicidas, de los insectos a los insecticidas) y los problemas nosocomiales crecientes y persistentes han demostrado o confirmado las poderosas capacidades evolutivas y adaptativas de los vivos. Además, rara vez se puede garantizar la contención total, especialmente si estos usos se generalizan.
Estos incluyen técnicas para leer y escribir ADN (secuenciación y fabricación), cuyos precios y rendimiento están mejorando exponencialmente (Kurzweil, 2001).
Las mediciones precisas del comportamiento de los sistemas sintéticos (bajo diversas condiciones) también son necesarias para el modelado y control precisos de los sistemas biológicos.
El diseño y el modelado asistidos por computadora (CAD, etc.) también están en el corazón de la biología sintética.
Los biólogos sintéticos utilizan métodos de secuenciación de ADN de varias formas: primero, utilizando los resultados de la secuenciación del genoma a gran escala, que es una gran cantidad de información sobre organismos naturales. Los biólogos sintéticos obtienen modelos y moléculas de ellos que les ayudan a construir componentes biológicos y circuitos genéticos. Los biólogos sintéticos también utilizan la secuenciación extensamente para verificar la precisión de la secuencia de ADN de los sistemas que construyen. Finalmente, la secuenciación rápida, económica y confiable también puede facilitar la detección e identificación rápidas de sistemas y organismos sintéticos.
La biología sintética actual está limitada por el tiempo y el esfuerzo (y por lo tanto el costo) asociados con la producción de secuencias de ADN que componen los circuitos genéticos. Para acelerar el ciclo de diseño, fabricación, prueba y rediseño, la síntesis de ADN de novo y el ensamblaje de fragmentos de ADN, procesos comúnmente denominados síntesis de genes, deben ser más rápidos, más confiables y menos costosos.
En 2002, después de 2 años de trabajo, investigadores de SUNY Stony Brook anunciaron que habían sintetizado las bases de la secuencia publicada del genoma del poliovirus (7741 pb), que es el primer organismo sintético declarado. En 2003 , el genoma del bacteriófago Phi X 174 (5386 pb) fue ensamblado en aproximadamente dos semanas por el Instituto Craig Venter. En 2006 , el mismo equipo construyó y patentó el genoma sintético de una nueva "bacteria mínima" Mycoplasma laboratorium y está trabajando para que funcione en una célula viva.
En 2007 , varias empresas estaban ofreciendo la síntesis de secuencias genéticas hasta 2000 pares de bases, por un precio de alrededor de $ 1 por par de bases y un tiempo de fabricación de menos de dos semanas. En 2009, el precio bajó a menos de $ 0,50 por par base, sin dejar de ser más rápido. Se cree que estos precios son más bajos que el costo de la clonación mediante técnicas convencionales, y el sistema de precios corporativo común hace que sea conveniente y económicamente atractivo para los investigadores diseñar y ordenar múltiples variantes de la misma secuencia para identificar genes o proteínas con un rendimiento optimizado (mejor uso de codones dependiendo del organismo, por ejemplo).
Los modelos matemáticos ayudan a diseñar circuitos genéticos y sistemas biológicos para predecir mejor el comportamiento del sistema y optimizarlo antes de la fabricación. La biología sintética busca mejorar los modelos de reacciones enzimáticas e interacciones moleculares y comprender mejor el comportamiento de los sistemas multicomponente. Recientemente, se han desarrollado modelos multiescala de circuitos genéticos que se centran en aplicaciones de biología sintética. Las simulaciones ayudan a modelar las interacciones biomoleculares involucradas en los procesos de transcripción, traducción y diversas regulaciones, y guían el diseño de sistemas sintéticos.
Las mediciones cuantitativas precisas del comportamiento de los sistemas biológicos son esenciales para comprender mejor el funcionamiento de los sistemas biológicos y para apoyar la generación y validación de modelos. Las diferencias entre las predicciones del modelo y las mediciones del sistema experimental ayudan a identificar las lagunas en la comprensión y explican por qué los sistemas biosintéticos a menudo se comportan de manera no intencionada. Las tecnologías de medición cinética paralela complementan de manera útil la microscopía y la citometría de flujo . El microfluido debería permitir pronto realizar una gran cantidad de medidas en paralelo, más baratas y más rápidas.
Además de los muchos desafíos técnicos, el vasto potencial de la biología sintética también preocupa a los bioéticos por su potencial abuso por parte de estados rebeldes y / o terroristas o simplemente por imprudencia. Así como la física nuclear ha llevado al tratamiento del cáncer por radiación , pero también a las armas nucleares, la biología sintética podría mejorar la lucha contra enfermedades endémicas como la malaria , que mata a millones de personas cada año, pero también conducir, por ejemplo, a un organismo vivo nuevo. en la biosfera y contra la cual el sistema inmunológico humano o animal podría ser impotente (si este organismo vivo resulta ser virulento). Un organismo que no es peligroso para la salud humana puede volverse invasivo en ciertos ambientes, degradando o destruyendo ecosistemas vitales para la humanidad.
Algunos promotores y genetistas que utilizan estas técnicas argumentan que pueden o podrían utilizar diversos medios para restringir y controlar los nuevos organismos o genes que crean y aparecen sugerencias detalladas para la concesión de licencias y el seguimiento de las diversas fases de la síntesis de genes. Y el genoma , pero otros los genetistas (y parte de la población) no confían en estos sistemas de control o defensa y temen accidentes o abusos. Las discusiones en línea son continuas, detalladas y abiertas, sobre temas sociales, por ejemplo, en OpenWetWare . Algunos autores creen que la bioética debe ampliar su campo a estas nuevas aplicaciones e inquietudes, examinando no solo los medios por los que se produce el conocimiento científico, sino también los tipos de conocimiento a buscar, difundir y debatir.
Numerosas novelas o películas de ciencia ficción, y el juego de rol Transhuman Space han popularizado el concepto de androides y bioroides parcialmente artificiales (introducidos por (GURPS Cyberpunk), androides biológicos creados por biogénesis (una palabra utilizada por el juego de rol para designar sintéticos). biología)
El proyecto europeo SYNBIOSAFE se centra en los aspectos éticos y de seguridad de la biología sintética, mientras que ya se están desarrollando proyectos para la creación de ácido nucleico artificial.
En 2009, el presidente de la Comisión Europea ( José Barroso ) solicitó una opinión al Grupo Europeo de Ética en Ciencia y Nuevas Tecnologías (EGE) sobre la ética de la biología sintética (EGE, 2009), especificando en su solicitud que “el debate sobre la legitimidad de las nuevas formas de vida se ha centrado principalmente en temas de seguridad, y aún falta un estudio sobre las implicaciones morales, legales y sociales que pueden derivarse de este uso específico de la biotecnología. " Pero Europa también apoya financieramente un proyecto llamado" 3NA "(acrónimo en inglés de" 3 e forma de ácido nucleico ") para crear un ADN y ARN de ácido nucleico artificial diferente. El CEA participa en él con laboratorios ingleses y belgas. Los promotores de este proyecto creen que también es una forma de hacer que las biotecnologías sean más seguras que los OMG actuales, al limitar los riesgos de que contaminen el medio ambiente, otras especies o especies afines.
También se cuestiona el subdominio de alimentos . La metionina , por ejemplo, muy utilizada en la alimentación animal, es objeto de especial atención por parte de los desarrolladores de biotecnología que buscan sintetizar el coste, con el apoyo financiero y estratégico de Europa y no sin despertar temores en cuanto a ética medioambiental , por los riesgos. vinculado a las biotecnologías y una demanda social inexistente, incluso opuesta a la artificialización de la producción de alimentos.