1.8: Biología sintética

La biología sintética es un campo que combina la biología y la ingeniería para crear o rediseñar entidades, organismos o vías biológicas. La idea es similar a la síntesis química en química, donde se utilizan reacciones bien conocidas para sintetizar nuevos compuestos químicos. El objetivo final puede variar desde la creación de nuevas moléculas de fármacos biológicos hasta la modificación de organismos para que sean capaces de descomponer los desechos. En este vídeo se analizan los principios básicos de la biología sintética y algunas técnicas utilizadas para construir módulos biológicos. Finalmente, presentamos algunas aplicaciones en el mundo real de este campo en evolución.

El objetivo principal de este campo emergente es utilizar la biología y la bioingeniería como herramienta para crear nuevas moléculas y organismos. Al igual que un ingeniero eléctrico crea un circuito funcional a partir de componentes eléctricos individuales, un objetivo clave de la biología sintética es crear un microorganismo programable desde cero utilizando componentes celulares individuales. Sin embargo, esto aún está lejos de ser alcanzable en este momento, principalmente porque los procesos biológicos son menos conocidos. Este objetivo se hace más alcanzable gracias a los avances recientes, como la secuenciación de ADN de próxima generación. Mediante la secuenciación del ADN, los investigadores pueden identificar las funciones de los genes específicos de la secuencia de ADN en organismos que poseen ciertos rasgos deseables. Luego, la secuencia exacta de ADN se puede sintetizar en grandes cantidades y luego se puede usar para modificar genéticamente una célula mediante transfección. La transfección es el proceso de insertar material genético, como ADN o ARN, en células de mamíferos. Cuando se realiza en células bacterianas, la técnica se denomina transformación. En este proceso, el ADN a menudo se acompleja con moléculas portadoras cargadas positivamente o se condensa dentro de un liposoma cargado positivamente o una partícula polimérica, como la polietileneimina. El complejo cargado positivamente se une a la membrana celular cargada negativamente y luego ingresa a la célula a través de la endocitosis, que es un proceso por el cual las moléculas ingresan a una célula a través de vesículas unidas a la membrana llamadas endosomas. Una vez dentro de la célula, el material genético abandona el endosoma y finalmente entra en el núcleo, donde la maquinaria de la célula es capaz de producir ARNm y luego proteínas a partir de él. Ahora que hemos introducido los conceptos básicos de la biología sintética, echemos un vistazo a algunas técnicas de transfección comúnmente utilizadas en el laboratorio.

La electroporación es una técnica que implica el uso de un electrodo para crear pequeños poros en la membrana celular, permitiendo así el paso del ADN. Primero, el fondo de cada pocillo de una placa de 48 pocillos está recubierto con 250 microlitros de anticuerpo y tampón con calcio y magnesio. A continuación, las placas se incuban a 37 grados. A continuación, se prepara el ARN para la transfección. Un microlitro de solución madre de ARN se alícuota en un tubo de microcentífugo para cada transfección separada, y los tubos permanecen en hielo. A continuación, las placas recubiertas de anticuerpos se lavan con tampón antes de añadir el medio celular. Las células se separan del fondo de los pocillos de cultivo de tejidos, se agrupan en un tubo de centrífuga, se peletizan y se vuelven a suspender. Se cuentan las células y se evalúa su viabilidad. A continuación, se añade un pequeño volumen de células a cada alícuota de ARN. A continuación, las células de ARN se cargan en una punta de electrodo de pipeta y se añaden tampón electrolítico a una cubeta de vidrio. La cubeta se coloca dentro del soporte y el electrodo de pipeta se coloca en la cubeta. Las celdas se electroporan utilizando un voltaje pulsado de aproximadamente 1500 voltios. Una vez completada la electroporación, las células se mezclan con los medios de cultivo celular en una placa de cultivo y se utilizan o almacenan.

Otra técnica es el método de choque térmico, que utiliza calor para crear aberturas en la membrana celular. En primer lugar, se preparan y esterilizan los medios y el agar adecuados. Luego, el agar enfriado que contiene antibiótico se vierte en placas y se deja enfriar a temperatura ambiente. A continuación, se establece un baño de agua a 42 grados centígrados y las células químicamente competentes se descongelan en hielo. Se añaden de uno a cinco microlitros de un nanogramo por microlitro de plásmido frío a las células descongeladas y se mezclan suavemente. Luego, la mezcla de célula y plasma se devuelve al hielo durante 30 minutos. Después de esta incubación en hielo, la mezcla celular se coloca en el baño de agua para realizar un choque térmico durante 30 segundos. A continuación, la mezcla de células y plásmidos se coloca inmediatamente en hielo y se añaden medios frescos. Luego, la mezcla de células se coloca en una incubadora agitadora a 37 grados centígrados durante una hora, para que las células puedan recuperarse. A continuación, las células se cultivan en las placas de agar añadiendo de 20 a 200 microlitros de las bacterias cultivadas a la placa y luego se esparcen. A continuación, las placas se incuban durante la noche. Al día siguiente, las placas de agar deben tener un crecimiento de colonia que indica que las células han absorbido el plásmido. Estas colonias ahora se pueden usar para más experimentos.

Ahora que hemos introducido algunos métodos comunes de transfección y transformación, echemos un vistazo a algunas aplicaciones de este novedoso campo. Las bacterias modificadas genéticamente podrían usarse para la limpieza ambiental, como la degradación de residuos de petróleo. Utilizando técnicas de biología sintética, se podrían diseñar organismos personalizados para descomponer contaminantes ambientales específicos. Esto podría incurrir en costos de limpieza más bajos que los métodos de limpieza típicos que requieren mucha mano de obra. Los sistemas biológicos a escala molecular construidos sintéticamente también podrían crearse para diagnosticar y tratar enfermedades específicas como el cáncer. Estos organismos podrían crearse para responder a las firmas características o anticuerpos de las células cancerosas. Además, podrían ayudar en el tratamiento de las células infectadas mediante la focalización programada.

Acabas de ver la Introducción a la Biología Sintética de Jove. Ahora debería estar familiarizado con los objetivos de este nuevo campo y algunas técnicas utilizadas para mejorar y, finalmente, crear organismos para combatir los problemas mundiales actuales. Gracias por mirar.