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BIOLOGÍA SINTÉTICA
Eva Sutton, Hybrids (2000)
Dra. María Antonia Muñoz de MalajovichDirectora Científica de ACTE, Treinamento e [email protected]
Curso de Biotecnología, Bioética y SociedadUSFX, Sucre, Bolivia, Agosto de 2016
QUÉ ES LA BIOLOGÍA SINTÉTICA? Una combinación de biología, química e
ingeniería para diseñar y construir nuevas
funciones biológicas y sistemas vivos, o
para rediseñar los sistemas vivos existentes
con el fin de tornarlos más útiles (The Royal
Society, 2008).
Aplicación de la ciencia, tecnología e
ingeniería para facilitar y acelerar el diseño,
la fabricación y la modificación de
materiales genéticos en organismos vivos
(Comisión Europea, 2014)
Sus bases tecnológicas son la Tecnología del DNA (síntesis, secuenciación y amplificación) y
la Ingeniería Genética, reforzada por las nuevas técnicas de edición de genes (TALEN, iRNA,,
ZINC fingers, CRISPR, MAGE).
Así como para cualquier área nueva del conocimiento, los riesgos deben ser evaluados
desde tres puntos de vista fundamentales: bioseguridad, biocontención y bioética.
1. CIRCUITOS DE DNA
Del Lego al DNA
Imagem de Hyun Youk
http://www.biochem.hku.hk/synbio/?page_id=148
CLASIFICACIÓN JERÁRQUICA
PARTES
DISPOSITIVOS
SISTEMAS
CHASIS
Codifican funciones básicas y su eficiencia
Ejemplos: secuencia génica de una proteína o de un promotor de la enzima RNA polimerasa, número de veces/ segundo que una polimerasa o un ribosoma pasan por determinado punto.
Colecciones de partes que implementan una función
Ejemplo: producción de una proteína fluorescente como respuesta a la presencia de una determinada substancia en el medioambiente.
Tareas complejas
Ejemplo: oscilar entre dos colores con una frecuencia
determinada.
Escherichia coli, Saccharomyces cerevisiae etc.
http://www.biochem.hku.hk/synbio/?page_id=148
NUEVAS TECNOLOGÍAS DE SECUENCIACIÓN Y SÍNTESIS
2. BIOLOGÍA SINTÉTICA Y BIOINDUSTRIAS
Amyris Biotechnology, Solazyme, Algenol, Tyton etc.
AMYRIS / UNA HISTORIA DE ÉXITO
o J. Keasling et al. (2000). Joint BioEnergy Institute (Berkeley)
o Patente (2001), Amyris Biotechnology (2003)
o Con el apoyo de la Fundación Bill e Melinda Gates e de Sanofi-Aventis, Amyris consigue incrementar la producción (100.000 X) y disminuir 10 veces el costo del tratamiento (menos de 1 US $).
You You Tu, Premio Nobel de Medicina 2015
AMYRIS: DE LA ARTEMISINA AL FARNESENO
Camino metabólico de aproximadamente 13.000 bases (nueve genes de 1500 bases de DNA c/u). Utilizando microarrays de DNA se pueden sintetizar variantes génicas y buscar la combinación más eficiente. Basta alterar los caminos metabólicos para abrir camino para la producción de combustibles o de cualquier otro producto.
Amyris Fuels (USA) utiliza sorgo sacarino y Amyris do Brasil (caña de azúcar). Planta piloto en Campinas, asociación con usinas productoras de etanol (Cristalsev, Cosan Guarani, Grupo São Martinho etc.), planta de demonstración en el interior de São Paulo (Pradópolis).
AMYRIS: EL CONCEPTO DE BIORREFINERÍA
CON ALGAS ES OTRA HISTORIA: ALGENOL
Algenol (Fotosíntesis, transformación directa a etanol)
CON ALGAS ES OTRA HISTORIA: SOLAZYME
CON TABACO, SE VERÁ: TYTON
3. LA PERCEPCIÓN PÚBLICA
Redes de Biología Sintética
LECCIONES DEL PASADO...
o Después de Asilomar (1975), un libro con un título bien/mal elegido - Playing God :Genetic Engineering and the Manipulation of Life (June Goodfield, 1977)
o Escándalo Frostban (Bacterias Ice minus) (Fin de los 70, década de 80).
Acciones legales (Jeremy Rifkin, de la Foundation on Economic Trends), primera liberación en campode un microorganismo genéticamente modificado (1987), retirada de varias empresas de esesegmento comercial.
o Crecimiento de una actitud tecnofóbica como respuesta a varios escándalos: sangrecontaminado, vaca loca etc. (décadas de 80 y 90).
o Errores de marketing.
Actualmente, persiste una percepción aguda de riesgo en relación ala ingeniería genética y a los transgénicos. Los conflictos suelen estarcentralizados alrededor de los alimentos y del control de laagricultura por las empresas multinacionales.
SITUACIÓN ACTUAL
o Evidencias de cambios climáticos, necesidad de nuevas tecnologías.
o Desarrollo de la biología sintética en los sectores de salud y energía, que son poco
movilizadores.
o Las instituciones reguladoras asumieron el estudio de los aspectos éticos, legales
y sociales, que anteriormente eran desarrollados por los grupos opositores.
o Hasta el momento, se observa poco interés en las consecuencias
socioeconómicas posibles y en los aspectos relacionados con la propiedad
intelectual.
o Sin embargo, podría surgir un conflicto en relación a la ética del diseño de seres
humanos.
LA LÍNEA DEL TIEMPOo Construcción de los primeros biobricks en los años 90. Iniciativa de Massachussets
Institute of Technology (MIT) y US Defense Advanced Reasearch Progress Agency (DARPA).
o iGEM (International Genetically Engineered Machine, 2003): competiciones organizadas por MIT.
o New and emerging Science and Technology Areas (NEST Report, 2005). Cita las áreas de biomedicina, biofármacos, industria química, medioambiente y energía, biomateriales, medidas antiterroristas.
o Biobricks Foundation (2006) – Biotechnology in the Public Interest / MIT, DARPA / Registro de Partes Biológicas Standard - Open Source – iGEM
o SYNBIOSAFE (2007), en Europa para debatir aspectos éticos y de seguridad. OFAB (Berkeley, 2010): diseñar, montar y testar 3000 partes genéticas standard, incluyendo elementos de control.
o ERASynBio (2012) para promover el desarrollo de la biología sintética con financiamientos de agencias internacionales. A partir de 2015, iniciativa autosustentable.
o The Synthetic Biology Project (2009): iniciativa del Science and Technology InnovationProgram del Woodrow Wilson International Center for Scholars. Financiado por la Alfred P. Sloan Foundation. http://www.synbioproject.org/
http://www.synbioproject.org/inventories/maps-inventory/
UNA DISTRIBUCIÓN INTERESANTE
UN AMBIENTE ACADÉMICO FAVORABLE (1)
o Libre acceso a lainformación y al uso de losbiobricks disponibles ypermitidos. (Internet, opensource).
o Actividades acotadas porvarias organizaciones.
(SYNBIOSAFE, SYNBERC, ERASYNBIO,SYNBIOproject etc.)
http://parts.igem.org/Main_Page
o Imagen tranquilizadora del Lego
o Organización de competicionescomo iGEM, por institucionesrespetadas como MIT, HarvardBerkeley etc. y BIOBRICKSFOUNDATION
o Los trabajos son divulgados(http://igem.org/Results) y elanálisis detallado muestra unapreocupación creciente con labioseguridad, que es unaexigencia de los proyectos (GuanZ-J et al, 2013).
o Nótese que, para los mismosautores, a pesar de muy buenasideas, ninguno obtendría laaprobación de las instituciones debioseguridad para uso médico omedioambiental.
UN AMBIENTE ACADÉMICO FAVORABLE (2)
BIOARTE Y DIVERSIDAD DE PERCEPCIONES
Exposiciones y festivales de cine temáticos, involucrando designers, artistas plásticos ycineastas. Percepciones dramáticas o cómicas, favorables o no.
http://www.super-cell.org/
SIN PERSPECTIVA DE CONFLICTO INMINENTE
http://www.synbioproject.org/site/assets/files/1288/synthetic_biology_newsletter_02.pdf
4. GENOMAS MÍNIMOS Y PROTOCÉLULAS
Y si lo llamamos a Spock?
ENFOQUE TOP-DOWN: SYNTHIA o Buscando el genoma mínimo
Mycoplasma genitalium tiene un genoma poco
redundante de 256 genes. Comparando ese
genoma con los de Haemophilus influenza, Bacillus
subtilis y Mycoplasma pneumoniae, se llega a que
bastarían 80 para sustentar la vida bacteriana, en
presencia de nutrientes en cantidad ilimitada y en
ausencia de factores adversos y competición. De
esos, 15% podría ser eliminado.
o Publicación (Craig Venter, 2010) Creation of a Bacterial Cell Controlled by a Chemically Synthesized Genome.
Published Online May 20 2010 / Science 2 July 2010: Vol. 329 no. 5987 pp.
52-56 . http://www.sciencemag.org/content/329/5987/52.abstract
Costo = US$ 20 millones
(Next big Future http://nextbigfuture.com/)
ENFOQUE BOTTOM UP: PROTOCÉLULAS
o Construyendo una célula sintética
Una célula artificial tendría una membrana lipídica, DNA y RNA y un mecanismode obtención de energía que posibilitara el transporte activo a través de lamembrana. Agregándole genes se podría construir un organismo con lascaracterísticas deseadas.
Protocélula (Modelo que reúne las
condiciones para el origen de la vida)
A pesar de estar formada únicamente por
dos o más RNA-replicasas (RNA polimerasa
RNA dependiente) y una membrana de
ácidos grasos, una protocélula seria capaz
de crecer, duplicarse y evolucionar.
http://exploringorigins.org/protocells.html
PRIMERAS APLICACIONES
o NUEVOS MATERIALES BIOMIMÉTICOS
Ingeniería biomolecular y biología sintética para materiales cuyos principios estructurales estáninspirados en las redes neurofilamentosas.
o SALUD (Novartis e Synthetic Genomics Vaccines -CV)
Banco de DNA viral sintético que permita, en caso de epidemia, iniciar la producción de vacunas,inmediatamente después de la caracterización de la cepa por la World Health Organization(WHO).Construcción de una vacuna universal para el virus de la influenza, a partir de alguna secuenciacomún a todas las variantes.
o MEDIOAMBIENTE (Exxon Mobil e Craig Venter)
Biocombustibles a partir de algas
o ÁREA ESPACIAL
Microbios que puedan convertir los gases de laatmósfera de Marte o la basura de la nave espacialen suplementos útiles.
PERSPECTIVAS ECONÔMICAS
o Mercado de la Biologia Sintética: US$ 38,7% billones (2020)
– Síntesis de DNA, organismos chasis, genes sintéticos, células sintéticas, XNA
Thermo Fisher Scientific Inc. (NYSE: TMO) is the world leader inserving science, with revenues of $17 billion and approximately50,000 employees in 50 countries. Our mission is to enable ourcustomers to make the world healthier, cleaner and safer. We helpour customers accelerate life sciences research, solve complexanalytical challenges, improve patient diagnostics and increaselaboratory productivity.
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ADEMÁS....
http://www.synbioproject.org/site/assets/files/1309/findings_2013-1.pdf
4. BIOSEGURIDAD Y BIOCONTENCIÓN
Cuáles son los riesgos?
EL RIESGO (O NO) DE LA COMUNIDAD DIYbio
o R. Carlson, investigador de la Universidad de Washington, monta un laboratorio de
garaje con el objetivo de simplificar las técnicas de biología molecular (2000).
o Bobe & Cowell (2005) - Tentativas de popularización de la biotecnología a través de
experimentos simples.
o DIYbio / crisis económica (2008)
o Exclusión del mercado de trabajo de un número alto de profesionales formados que conocen la
ética DIY en otros campos (programación, electrónica).
o Notable disminución de los precios de equipos y materiales.
o Comunidad DIYbio se organiza mundialmente, substituyendo gradualmente los primeros
laboratorios de garaje por laboratorios organizados.
Ejemplos: HACKUARIUM http://hackuarium.strikingly.com/#projects;
GaudiLabs http://www.gaudi.ch.
UNA COMUNIDAD SOBRE O SUBESTIMADA
o Grushkin D. et al. (2013).
No representa una amenaza para la bioseguridad o la biocontención. Está comprometida con eldesarrollo de códigos de conducta, protocolos seguros y reglamentaciones. Promisora en relación ala innovación científica y económica, esta comunidad es un canal nuevo de enseñanza y divulgaciónde la ciencia dirigido al público en general que cumple un rol complementar del académico ycontribuye para la democratización del conocimiento.
o Obviamente, tendrá que ser monitoreada.
o En la percepción de la sociedad, algunas dudas:
o Puede resultar inseguro un sistema construido juntando partesseguras?
o Cuáles son los riesgos debidos a la participación de personas sinentrenamiento adecuado (biohackers) o mal-intencionadas(biocrackers)?
o Puede surgir una bioeconomia ilícita?
o Cuáles son los códigos de conducta de las empresas que sintetizanDNA para evitar la diseminación de material que pueda ser utilizadopara elaborar armas biológicas o toxinas?
Tecnología del DNA recombinante Biología Sintética
Utiliza partes (células, ribosomas, filamentos de DNA sintético, ácidos nucleicos o aminoácidos) que se encuentran en la naturaleza
Utiliza partes sintetizadas (células artificiales, ribosomas, filamentos de DNA sintético, ácidos nucleicos o aminoácidos) que no se encuentran en la naturaleza
Busca secuencias en los organismos (naturales) existentes
Construye circuitos combinando las partes sintetizadas
Altera secuencias genéticas por mutación, en el laboratorio
Altera las secuencias genéticas utilizando software computacional antes de construirlas y llevarlas al laboratorio.
Transferencia de un gene o de una pequeña construcción génica
Pueden alterar o deletar centenas o miles de elementos genéticos de un organismo
Inserta la construcción génica (gene gun, vectores)
Busca construir un genoma microbiano de la nada (whole genome assembly)
Construye un organismo por vez. Utiliza plataformas robóticas para construir centenas o millones de variantes de un organismo
ES LA BS, NADA MAS QUE UMA EG EXTREMA?
“In our view, synthetic biology is an extension of the continuum of genetic science that has been used safely for more than 40 years by the biotechnology industry in development of commercial products.” (Erickson, Singh and Winters, 2011)
Si fuera así, los riesgos de los organismos BS y GM serían análogos...
PERO, SI LA BS FUERA MUCHO MÁS QUE UNA EG EXTREMA...
o Que pasaría con un organismo BS liberado en un ambiente donde no existanpredadores específicos?
o Podría un microorganismo diseñado para cumplir una función determinada debiorremediación, afectar otra substancia presente en el ambiente?
o Podría haber intercambio genético entre un organismo sintético y un organismobiológico natural, contaminando el pool genético natural?
Si así fuera, los organismos BS no serían evaluados como OGMs sino como GSO (delinglés, Genetically Secured or Safe Organisms), y las medidas de contención tendríanque ser redefinidas.
La “certeza de contención”(del inglés, Certainty of Containment o CoC),establece que la probabilidad de escape de la contención, de diseminación yde interacción no intencional con el ambiente sea virtualmente nula.
COMO GARANTIZAR LA CERTEZA DE CONTENCIÓN (CoC) ?
o Utilizando sistemas bioquímicos no naturales
o Introducción de benzopurinas y benzopirimidinas (XDNA
o expanded DNA),
o Extensión del alfabeto con nucleótidos sintéticos
(ATCGPZ),
o Construcción de ribosomas que reconozcan un código de
4 bases,
o Substitución de codones para inclusión de aminoácidos
no naturales.
o Cuál sería la eficiencia de esos sistemas? Solucionarían el problema o crearían otros nuevos?
ES NECESARIO REGULAR CON MAS RIGOR?
Mas de 100 organizaciones solicitan más regulación e,inclusive, una moratória.(SYNBIOWATCH - www.synbiowatch.org/)
La “Presidential Commission for the Study of BioethicalIssues” estableció un sistema regulador incipiente demanera a maximizar los beneficios y minimizar los riesgos(EEUU, 2010). Recomienda al presidente Barack Obamauna vigilancia prudente.
Existe una regulación para la Biologia Sintética (EstadosUnidos y Unión Europea) que puede ser encontrada enhttp://synberc.org/sites/default/files/Concise_Guide_Synbio_Regulation.d
oc (10/1/2012).
El consenso general es que no hay necesidad deincrementar la regulación específica para la biologíasintética.
SIM
NÃO
CONCLUSIONES
o No es posible limitar el acceso a materiales y equipos. Tal como está creciendola biología sintética, en un sistema transparente de código abierto (opensource), una regulación estricta acabaría limitando el acceso al conocimiento.
o Sin embargo, hay que tener en cuenta los siguientes puntos:
o Bioseguridad (combinaciones de biobricks, liberación en el ambiente ysistemas de contención, propiedad intelectual, sistemas ortogonales,medidas a tomar en caso de accidente etc.)
o Biocontención (responsabilidad de las empresas que sintetizan DNA,posibilidad de mal uso de equipos y organismos etc.)
o Bioética (diseño de seres vivos etc.)
