Cómo encajar las piezas del ADN sintético
Después de haber Los hielos conseguido de la cueva de descifrar Scărișoara han miles de genomas de la naturaleza, preservado rastros físicos y químicos que los científicos se permiten proponen estudiar recorrer con más precisión el camino las inverso: esc
Las proteínas son las trabajadoras esenciales, quienes dan las instrucciones de la vida. El ADN y el genoma actuarían como los jefazos de la empresa, pero en realidad no son nadie sin ellas. Lo que intentamos es domar todo lo posible su producción y sintetizarlas de cero para que actúen de forma que nos sea útil”. Desde su laboratorio en el Centro de Biología Molecular Severo Ochoa de Madrid (CBMSO), el investigador Mario Mencía Caballero nos explica los mecanismos de la vida trazando garabatos en un papel, con la paciencia que delata su experiencia como profesor en la Universidad Autónoma de Madrid (UAM). Precisamente, fueron unas proteínas muy concretas las que enviaron desde el CBMSO –centro mixto de la UAM y el Centro Superior de Investigaciones Científicas– a la Universidad Tecnológica de Delft (Holanda) para llevar a cabo el experimento que ha marcado un nuevo hito en biología sintética, el excitante campo de estudio que intenta replicar la vida en un tubo de ensayo.
Científicos del equipo liderado por Margarita Salas, del CBMSO, y el grupo dirigido por Chris Danelon, en el Departamento de Bionanociencia de la citada universidad holandesa, han sintetizado el primer minigenoma artificial capaz de expresar –lease, fabricar– las proteínas que lo replican, tal y como publicaron en la revista Nature
Communications en abril de 2018. ¿Y qué significa esto? Para que exista la vida, desde una bacteria hasta la ballena azul, es necesario que las células den lugar a nuevas células. Esto solo puede hacerse gracias a un paso previo: la réplica del ADN de la célula original, para que esta pueda dividirse. El material genético contenido en el genoma incluye las instrucciones para que funcione su metabolismo, su crecimiento, su sistema de intercambio con el exterior... y su mecanismo de replicación. Y el lenguaje que utiliza son las proteínas.
Bien, pues lo que hicieron estos investigadores fue reconstruir de forma artificial todo el proceso de copia de información genética; en este caso, de un virus. Lo llamamos minigenoma porque solo incluía instrucciones para esa labor en concreto. Un genoma celular completo habría tenido que contener muchos más módulos de ADN, todos los necesarios para codificar las proteínas correspondientes al resto de las funciones: la división, el crecimiento, la obtención de energía, la fabricación de la membrana, etcétera.
EL CONEJILLO DE INDIAS FUE UN VIRUS LLAMADO PHI29. “Los sistemas de replicación de las células son muy complejos, mientras que este organismo es relativamente sencillo de copiar”, aclara Mencía. En las células humanas, el mecanismo depende de cientos de proteínas, y Phi29 solo necesita cuatro. Además, era un viejo amigo del CBMSO: la doctora Salas y sus colegas llevaban años estudiando su maquinaria genómica.
El auge de la biología sintética comenzó en 2010, cuando se diseñó el genoma de una bacteria por ordenador y fue trasplantado a otra
Estos conocimientos les sirvieron de punto de partida para hacer el experimento, que implicaba salvar tres pasos. En primer lugar, el ADN, que no puede salir del núcleo celular, debe transcribirse a una forma de ácido ribonucleico que actúa como mensajero de la información, el ARN mensajero. Este proceso, conocido como transcripción o transcriptoma, es relativamente fácil. “Sabemos cómo hacerlo”, asegura Mencía. A continuación, la información del ARN se traduce a proteínas con ayuda de los ARN de transferencia y ribosómico, una fase peliaguda que “no se ha logrado hacer en laboratorio todavía. Se añadió desde fuera, ya montada, la maquinaria que permite esa síntesis: el ribosoma. Había sido extraído previamente de una bacteria, con todos sus componentes ya ensamblados. Salvo este truco, lo demás se fue incorporando en forma de componentes químicos individuales”, detalla el experto español.
Por último, se trataba de que las proteínas se pusieran a hacer copias del ADN original. “Los minigenomas eran perfectamente funcionales: en presencia de los componentes adecuados, producían las proteínas de replicación y eran nuevamente copiados. Llevamos a cabo este ciclo tres veces sucesivas”, afirma Danelon.
ES LA PRIMERA VEZ QUE LOGRA HACERSE EN UN LABORATORIO. “Hasta ahora, se había conseguido recrear parte del proceso, pero no la última fase”, señala Mencía. Como escribe Danelon en la nota de prensa de su universidad, “queríamos cerrar el círculo y ser los primeros en reconstruir el flujo completo de información genética dentro de una membrana con estructura similar a una célula”. A modo de tubo de ensayo emplearon liposomas, nanovesículas esféricas cubiertas por una doble capa de lípidos (grasas). En este detalle radica la otra novedad del estudio: el minigenoma cumplió con éxito su función dentro de esas minúsculas burbujas, sin necesidad de ser trasplantado a una célula huésped.
Antes de eso, un rompedor experimento del científico y emprendedor norteamericano Craig Venter también había conseguido sintetizar un genoma artificial operativo, pero solo funcionaba cuando se colocaba dentro de una célula receptora; esa es la principal diferencia con nuestro trabajo”, puntualiza Mencía.
Lo que hay que reconocer es que la biología sintética comenzó a tomarse en serio cuando un equipo del Instituto John Craig Venter (JCVI), liderado por el propio Venter y el investigador Daniel Gibson, logró crear “una célula bacteriana controlada por un genoma sintetizado químicamente”, como anunciaba literalmente el artículo con que lo dieron a conocer en la revista Science en 2010. “Nuestro grupo tuvo que aprender a secuenciar, sintetizar y trasplantar genomas. Superamos muchos obstáculos, pero ahora somos capaces de combinar todos los pasos para producir células artificiales en el laboratorio”, afirmó Gibson en la rueda de prensa. Era la primera vez que se diseñaba por ordenador todo el material genético de un organismo vivo –el modelo fue la bacteria Mycoplasma mycoides y los 1,08 millones de pares de bases de su genoma–, sin emplear ningún fragmento de ADN natural, y se implantaba en una célula huésped.
La receptora fue Mycoplasma capricolum, a la que le habían extirpado la enzima encargada de impedir la entrada de ADN extraño. Bautizada como JCVI-syn1.0, la criatura resultante seguía las instrucciones del ADN artificial para controlar todas sus funciones; es decir, era una
Mycoplasma capricolum que se comportaba como una Mycoplasma mycoides.
Un objetivo es fabricar microbios capaces de digerir dióxido de carbono y los compuestos tóxicos que contaminan los océanos
Dos días después del trasplante, las placas de Petri se habían llenado de células Mycoides que solo contenían el genoma creado sintéticamente. Además, para que quedara claro que el experimento funcionaba, los científicos habían introducido una serie de marcas de agua en el ADN de laboratorio. Entre ellas, un gen que otorgaba resistencia al antibiótico tetraciclina y tres citas de escritores y científicos escritas en un nuevo código basado en las letras A, C, G y T –iniciales de adenina, citosina, guanina y timina–, los cuatro nucleótidos o bases nitrogenadas con que está escrito el libro del ADN. Y, sí, aparte de replicar dichas frases, JCVI-syn1.0 podía vivir a sus anchas en un caldo de tetraciclina, algo que no habría podido hacer la bacteria original.
LOS ANTECEDENTES DE ESTA ATREVIDA DISCIPLINA ARRANCAN antes, también ligados al propio Venter –que secuenció por primera vez el genoma de un ser vivo, la bacteria Haemophilus influenzae, en 1995– y al proyecto Genoma Humano. La base de datos de genomas descifrados es a día de hoy inmensa: hemos aprendido a leer el código de la vida. Ahora toca aprender a escribirlo desde cero, para entender todavía mejor cómo funciona.
En 2016, Venter volvió a agitar las aguas de la biotecnología con el diseño de una célula mínima a partir de JCVI-syn1.0. Quería saber qué genes eran imprescindibles para la vida de un organismo unicelular. Así que fue desnudando su genoma pedazo a pedazo, comprobando con cada extirpación si el microbio era capaz de subsistir. Al final, llegaron a la conclusión de que esa bacteria en concreto necesitaba 473 genes para sobrevivir. Uno menos y se apagaba.
Sin embargo, no sirvió del todo para entender qué papel desempeña cada fragmento de información genética. “Solo sabemos lo que hacen un tercio de esos 473 genes. Ignoramos qué sentido tienen las otras dos terceras partes, por qué son esenciales para la vida. Quizá se ocupan de algo muy sutil, algo que todavía no conocemos en biología. Estos experimentos nos dieron toda una lección de humildad”, admitió Venter en la rueda de prensa para presentar su descubrimiento.
Como nos cuenta Mencía, el juego de la biología sintética consiste precisamente en eso, en generar el sistema mínimo que necesita una célula para que ejecute ciertas instrucciones. Es, por supuesto, una cuestión de curiosidad científica: “Hemos hecho muchos progresos, pero nadie sabe todavía cómo, hace unos cuatro mil millones de años, surgió la vida a partir de componentes separados como aminoácidos y lípidos. Es una pregunta fascinante y la biología sintética puede ayudarnos a encontrar la respuesta”, señala Cees Dekker, uno de los investigadores de la Universidad de Delft.
Más vistosa aún, claro, es la promesa de obtener beneficios para la sociedad mediante el perfeccionamiento de lo que ofrece la naturaleza. “La tendencia es acelerar la evolución en el laboratorio y lograr funciones nuevas que puedan resultarnos útiles”, apunta Dekker. De sus aplicaciones podrían beneficiarse la medicina –con vacunas mejoradas, por ejemplo– o el medioambiente, gracias a microorganismos capaces de digerir CO o los compuestos tóxicos que 2 contaminan los océanos. También se explora la posibilidad de que microbios genéticamente modificados produzcan biocombustibles; el propio Venter lleva años investigando en el campo de energías alternativas, como el etanol y el hidrógeno.
LA CIENCIA TRABAJA DESDE HACE DÉCADAS CON CULTIVOS, VIRUS O BACTERIAS MODIFICADOS, pero la biología artificial va un paso más allá. “En ingeniería genética, sacas ADN de unos microorganismos para meterlo en otros, como si añadieras aire acondicionado o cristales tintados a un coche que ya tienes. Por el contrario, en biología sintética se busca crear de abajo hacia arriba, ir construyendo el coche
desde cero, pieza a pieza”, explica Mencía. Por eso, se denomina también ingeniería inversa. Aquí no se parte de un ser vivo, cuyo ADN se modifica agregando genes foráneos, sino que el diseño del genoma modificado que se quiere conseguir se traza directamente en el ordenador. “A continuación, se sintetizan en el laboratorio pequeños fragmentos de ADN, que serán ensamblados como las piezas de un rompecabezas”, puntualiza el experto.
Pero ¿por qué tomarse tantas molestias? “Es muy útil para comprobar cosas que se dan por sabidas en biología molecular, para generar circuitos y subsistemas que se pueden entrenar en alguna función de utilidad, y para acoplar capacidades que no se dan unidas en la naturaleza en un mismo organismo o enzima”, responde Mencía. Un buen ejemplo son los experimentos consistentes en insertar en un virus dos habilidades diseñadas por computadora que pueden ser una bomba anticáncer cuando actúan juntas. El ADN manipulado les permite detectar células malignas y, al mismo tiempo, activar un mecanismo de protección para las células del sistema inmune que luchan contra el tumor.
VENTER TAMBIÉN SE PROPONE RECONSTRUIR DE FORMA SINTÉTICA EL VIRUS DE LA TUBERCULOSIS BOVINA AFRICANA. Su idea es introducir modificaciones en su genoma y, gracias a ello, desarrollar cepas atenuadas que puedan ser probadas como vacunas. Se trata de proyectos con muy buenos propósitos, sí, aunque hay quien se lleva las manos a la cabeza al pensar en sus peligros. Por eso levantan tanta polémica trabajos como el del virólogo David Evans, de la Universidad de Alberta (Canadá), que el año pasado sintetizó una cepa extinguida de la viruela con solo seis meses de trabajo y un gasto de apenas 100.000 dólares. Su excusa, dice, es crear mejores vacunas. Sin embargo, su artículo ha sido rechazado por Science y Nature Com--
munications debido a los problemas administrativos y legales que les traería publicarlo. “Podría ser interpretado como un manual de instrucciones para fabricar un microbio patógeno”, reconoce Evans.
La Academia de las Ciencias estadounidense publicó en 2018 un informe que se posicionaba al respecto. Dirigido por Michael Imperiale, profesor de Microbiología en la Universidad de Míchigan, alertaba sobre la posibilidad real de usar la biología sintética para crear virus y bacterias ultraletales con fines terroristas. Un riesgo que, sin embargo, no es nuevo: ya existía desde hace décadas con los avances de ingeniería genética. Como advierte Evans, “el mundo necesita aceptar el hecho de que puedes hacer estas cosas; ahora tenemos que pensar cuál es la mejor estrategia para gestionarlo”.
En internet pueden consultarse bancos de genomas de miles de bacterias y virus y adquirirse secuencias manufacturadas de distintos organismos, con funciones demostradas. “Cada vez que sabemos para qué sirve un fragmento de ADN y cómo funciona, se incorpora a la caja de herramientas”, señala Mencía. Aunque estos catálogos online están reservados a grupos de investigación y universidades, el uso del material solo está sujeto al buen criterio de la comunidad cien-
La Academia de Ciencias de EE. UU. alerta sobre el peligro de diseñar virus y bacterias ultraletales con fines terroristas
tífica, ya que no existe ninguna legislación al respecto. Lo más parecido a un reglamento público es la Guía para la investigación con moléculas de
ADN recombinantes, publicado por los Institutos Nacionales de Salud (NIH) de Estados Unidos, si bien sus directrices únicamente se aplican a investigaciones subvencionadas con fondos federales.
Mientras, la investigación internacional en el campo de la biología sintética sigue en plena ebullición, con ambiciosos proyectos como el presentado el año pasado en el Centro del Genoma de Nueva York por Harris Wang, de la Universidad de Columbia. Su plan es nada menos que sintetizar células de mamíferos para que se conviertan en fábricas de nutrientes, productoras de los aminoácidos y las vitaminas que necesitamos los humanos. O el de June Medford, de la Universidad Estatal de Colorado, quien pretende crear genomas modificados de plantas para que puedan filtrar el agua y detectar sustancias tóxicas.
SIN EMBARGO, UNA COSA SON LOS PLANES, PARA LOS QUE LA IMAGINACIÓN CIENTÍFICA NO TIENE LÍMITES, y otra los objetivos realistas de laboratorio. Desde luego, los esfuerzos del equipo de Danelon y otros biotecnólogos del mundo están encaminados hacia un reto común: el de crear una célula artificial. Algo que, según Mencía, no es imposible. “Se sabe cómo, pero hay que hacerlo”, comenta. En este sentido, el profesor de la UAM indica que el siguiente paso sería “conseguir la división celular a partir de ADN artificial. Con nuestro trabajo [el que se explica al principio del reportaje] nos vamos acercando. Todo depende del ímpetu y el dinero que se invierta en la investigación”.
Más lanzado, su colega Cees Dekker opina que “en un plazo de diez años seremos capaces de utilizar los componentes mínimos necesarios para crear un sistema capaz de dividirse de forma autónoma”. ¿Y luego? Como apunta Marileen Dogterom, la directora del laboratorio donde trabaja Danelon, en la Universidad de Delft, “incluso si conseguimos construir una célula que pueda reproducirse, eso no supondrá el final del proyecto. Un organismo vivo también debe ser capaz de adaptarse, de evolucionar. ¿Qué tenemos que añadir para hacerlo posible? ¿Y para que pueda interactuar con otras células?”.
Y ya puestos, si tan cerca estamos de la creación de la primera célula viva artificial, quizá humanos artificiales como los replicantes de la película Blade Runner dejen de ser ciencia ficción algún día. Aunque, en opinión de Mencía, “las barreras científicas, económicas y éticas son enormes. Nos encontramos a años luz de lograr eso. No podemos pensar en construir un Ferrari si todavía ni siquiera hemos conseguido terminar un triciclo”.