La biología sintética y la abstracción de los procesos biológicos

Autor:

Prof. Alberto Donayre

Prof. Departamento de Bioingeniería e Ingeniería Química

dalberto@utec.edu.pe

Descifrar los fenómenos que ocurren en la naturaleza es una tarea compleja. Los procesos biológicos como la fotosíntesis, glucolisis, las infecciones o el cáncer son descritos a nivel molecular para poder comprender sus fundamentos y desarrollar avances tecnológicos. La abstracción de lo biológico permite iniciar el entendimiento de un proceso natural, y resulta siendo un proceso complicado. Para lograr acelerar los avances tecnológicos, la biotecnología actual requiere un contexto multidisciplinario. Por ello, es necesario un sistema para comprender los procesos naturales, poder descifrarlos, reconfigurarlos y convertirlos en una aplicación útil a la sociedad. Generalmente, entender un proceso biológico supone largos años de experimentación. Por ello, desde hace muchos años existe la necesidad de simplificar e incluso automatizar la abstracción de los procesos biológicos. La abstracción se refiere a poder aislar propiedades de un proceso, de modo que se pueda comprender en su totalidad y desarrollar tecnología con dicho conocimiento. 

Figura 1. Descifrar el ADN es una tarea compleja que requiere especialización,

tiempo e inversión monetaria.

En los años 70’s, se produce la invención de la ingeniería genética. A partir de entonces, la biología y la compresión de la misma cambiaría radicalmente. La ingeniería genética permitía por primera vez al ser humano transferir ADN de un organismo a otro y manipular la información genética de los seres vivos y sus funciones. Existía miedo e incredulidad acerca de esta nueva tecnología y sus consecuencias. El gobierno de los Estados Unidos reunió a sus científicos más prestigiosos para abordar las siguientes interrogantes alrededor de esta nueva disciplina: ¿Es este nuevo conocimiento riesgoso? ¿Puede generar un problema de seguridad nacional? ¿Como aprovechamos este nuevo conocimiento para llevarlo a su máximo potencial para beneficio del país? Al cabo de un año de discusión, los científicos propusieron dos simples recomendaciones: A) Diseñar un método para mejorar la abstracción biológica, de modo que sea mucho más simple explicar fenómenos biológicos. De esta manera poder explicar mejor al público acerca de esta nueva tecnología. B) Desarrollar métodos de automatización de procesos de ingeniería genética para simplificar la construcción de organismo útiles. La manera mas sencilla de acelerar la abstracción biológica es empleando un sistema de construcción estandarizado basado en el ADN. El ADN se puede interpretar como un lenguaje, por lo que se puede programar (Figura 1). Sin embargo, siendo una molécula compleja, se requiere conocimientos profundos para su correcta interpretación. La biología sintética nace en este contexto y realiza una de sus mayores contribuciones a la comprensión de los procesos biológicos. Plantea incluir a la ingeniería en un proceso de abstracción biológica que nos permita construir empleando al ADN como insumo principal. La biología sintética propone “construir para aprender”, aplicando el método de diseñar-construir-evaluar-aprender (DBTL por “design-build-test-learn”). Esto permite una abstracción biológica sencilla mediante el empleo de bloques de construcción, similar a los ensamblajes en ingeniería electrónica. Se realiza un ensamblaje de componentes en donde el ADN, es la unidad básica de construcción partir de la cual se producen elementos de mayor complejidad (Figura 2). De modo similar a la ingeniería electrónica, las resistencias y capacitores dan origen a compuertas lógicas que producen circuitos que se conectan en sistemas. Por lo tanto, los fragmentos de ADN, como los promotores, genes y terminadores se llaman componentes, y estos se pueden conectar para obtener dispositivos y a su vez la combinación de estos origina sistemas que realizan funciones complejas (Figura 2). Al implementar esta conceptualización, se puede ensamblar del mismo modo que en un circuito eléctrico, y emplear algebra booleana en sistemas vivos para obtener un comportamiento celular matemáticamente predecible. Entonces, el algebra booleana que dirige la construcción de un circuito eléctrico se emplea ahora, para la construcción de sistemas vivos con funciones complejas.

Figura 2. Ensamblaje de componentes biológicos empleando principios de construcción de ingeniería electrónica.

El ADN se puede programar si se conceptualiza como bloques de construcción con elementos reutilizables.

Se observa un paralelo entre los componentes que constituyen los circuitos eléctricos y los sistemas vivos, con una complejidad en incremento.

Lo anterior nos demuestra que esta nueva disciplina no solo está revolucionando el avance tecnológico, sino que es capaz de simplificar el entendimiento de procesos biológicos para un rápido diseño de nuevos sistemas vivos. Las escuelas de difusión de biología sintética como Bio Academy, BioBuilder, y los concursos como iGem o “Genes in space”, demuestran que los estudiantes se involucran aceleradamente en la construcción de sistemas biológicos incorporando los conceptos de construcción de la ingeniería. Empleando esta metodología, los estudiantes plantean un problema, construyen los componentes biológicos implementando un sistema que permita resolver dicho problema. Mas aún, el diseño puede ser rápidamente evaluado y su aplicación es puesta en práctica. Los miembros de la empresa Ginkgo Bioworks, pionera en biología sintética, iniciaron sus diseños en el concurso iGem, modificando bacterias que pueden producir aromas de frutos. La poderosa propuesta de la biología sintética de diseñar-construir-evaluar-aprender, es la razón por la que han surgido muchas empresas “startups” que, en el presente año, han recaudado alrededor de $1.3 billones de dólares de capital. En el futuro veremos que la simplificación de la abstracción de lo biológico (DBTL) es una ruta que sirve para educar y desarrollar tecnología al mismo tiempo.

Bibliografia:

1. Drew Endy, 2005. Foundations for engineering biology. Review Article; Nature volume 438, pages 449–453.

2. Calvin Schmidt, Kevin Costa, 2019. These 37 synthetic biology companies raised $1.2B this quarter. July 17. https://synbiobeta.com/these-37-synthetic-biology-companies-raised-1-2b-this-quarter/

3. Drew Endy. The natural world is simply wondrous, unless you’re bioengineer Drew Endy. Then it’s also inefficiently designed. Bulletin of The Atomic Scientists. May/June 2007, Vol. 63, No. 3, pp. 28-33. DOI: 10.2968/063003008 . https://journals.sagepub.com/doi/pdf/10.2968/063003008