¿Pegar y cortar para crear vida?

Quienes escribimos este libro (todos modelo ochenta y pico, joya, nunca taxi) pertenecemos a la generación millennial, esa que, en general, no nació con una computadora bajo el brazo, sino que aprendió a usarla en la niñez o en la adolescencia.

Conocemos cómo era la vida cuando la música se escuchaba en un walkman y para hacer planes con un amigo tenías que llamarlo al fijo, pero también nos adaptamos con facilidad al mundo digital e hiperconectado de las últimas décadas. Es muy probable que encontremos diferencias en la forma en que vivimos la revolución tecnológica si consultamos a una persona de la generación de nuestros padres (que llegaron más tarde al mundo digital) o de la que nos sigue (los nativos digitales). Sin embargo, todos estaremos de acuerdo en que la tecnología ha transformado de manera radical la forma en que vivimos y pensamos. Las ciencias en general, y las ciencias de la vida en particular, no han sido la excepción.

Para comprender la relación entre la biología y la tecnología, debemos remontarnos a un tiempo atrás. Si nos aventuramos a pensar en los orígenes de la biología (cuando todavía no se llamaba biología), nos vamos a encontrar con que los primeros acercamientos respondieron a la necesidad de conservar los grandes volúmenes de frutas y granos generados en el inicio de la agricultura, hace más de diez mil años. Más adelante se desarrollaron procesos que utilizamos hasta hoy, como la fermentación para fabricar cerveza o pan. Bastante más tarde (alrededor del 2000 a. C.) comienza a tomar forma en diferentes puntos geográficos (Mesopotamia, China y Egipto) otra de las disciplinas de la ciencia de la vida: la medicina. En ese momento, estaba lejos aún de su forma actual y era una especie de mezcla entre la magia y una cierta ciencia racional. El cambio de paradigma llegaría a fines del Renacimiento europeo y comienzos de la Era Moderna (entre los siglos XVII y XVIII), cuando la biología se transformó en algo parecido a lo que estudiamos actualmente en escuelas y universidades. En este punto los biólogos (entonces denominados médicos, botánicos o naturalistas), sin buscar una aplicación inmediata del conocimiento, dedicaron sus obras a describir “la vida” con rigor científico.

Las ciencias de la vida se cristalizaron en manuales de anatomía, herbarios y bestiarios. Dichas obras fueron posibles gracias al desarrollo de mecanismos y aparatos que permitieron expandir los límites de lo conocido. Y, a su vez, este nuevo conocimiento llevó a producir mejores dispositivos. La indispensable sinergia entre ciencia y tecnología.

Recién con la llegada del siglo XIX, la biología se transformaría definitivamente en una ciencia moderna. En la misma época, dos grandes científicos trabajaban en paralelo para tratar de entender cómo se había diversificado la vida en nuestro planeta desde los primeros organismos formados por una sola célula hasta las aves, los mamíferos y los demás seres vivos que existen hoy.

Por un lado, Charles Darwin embarcaba a bordo del Beagle para su travesía por la costa atlántica de América del Sur. Por el otro, Alfred Wallace se encontraba en un periplo por el archipiélago malayo. Ninguno sabía en qué trabajaba el otro (¡faltaban casi doscientos años para que existieran las redes sociales!), lo que hace más maravilloso aún que hayan llegado a la misma conclusión.

Esas ideas dieron lugar al paradigma de la evolución de las especies, que atravesó las ciencias de la vida desde entonces. A esta altura, cabe preguntarse: ¿a qué viene tanto preámbulo? El motivo de este breve repaso por la historia de las ciencias de la vida no es otro que el de mostrar las múltiples transformaciones que ha sufrido su razón y forma de estudio a lo largo del tiempo. La visión naturalista de hace dos siglos ha dado paso a otra manera de estudiar la biología más orientada hacia los datos. Este cambio de paradigma vuelve preponderante el rol de las tecnologías de la información, de las que la biología se nutre para formar esta nueva disciplina que es la bioinformática.

La bioinformática es el eje del libro, pero también, en cierto modo, es una excusa para contar cómo los científicos trabajan para intentar comprender los enigmas de la vida.

En las próximas páginas, analizaremos el recorrido que han realizado las ciencias de la vida hasta convertirse en ciencias de la información, asistidas por algunas disciplinas jóvenes (como la informática) y otras bastante veteranas (como la matemática). Veremos cómo este grupo heterogéneo de ciencias nos permite acercarnos un poquito más hacia la comprensión de algún aspecto puntual del funcionamiento de los seres vivos. Podemos explorar lo que pasa dentro de una célula con la simulación del movimiento de moléculas y sus interacciones desde la pantalla de la computadora. O estudiar cómo células de diferentes tipos se agrupan para formar un tejido y un órgano. Incluso podemos ir a una escala mucho más grande para analizar cómo la introducción de una especie exótica en un área natural puede disminuir las poblaciones de especies autóctonas.

A medida que crece nuestro conocimiento de los sistemas biológicos se vuelve más factible uno de los argumentos clásicos de la ciencia ficción: ¿el ser humano puede crear vida? O, en este caso, ¿podemos diseñar la vida desde una computadora? Aunque parezca lejano, cada día estamos un poco más cerca de que esto sea factible (¡no lo intenten en sus casas!).

Trabajar con computadoras tiene una ventaja adicional: es relativamente barato cuando se lo compara con los costos de tener un laboratorio en funcionamiento. Durante el desarrollo de un nuevo medicamento, usualmente miles de compuestos candidatos quedan en el camino, porque no sirven para lo que deberían o tienen demasiados efectos adversos. Si cada uno de esos candidatos tuviera que probarse en el laboratorio, estaríamos hablando de una inversión de tiempo y dinero considerable, pero afortunadamente gran parte de las pruebas pueden realizarse en computadoras, para que solo los más prometedores lleguen a los ensayos preclínicos y clínicos.

En resumen, la bioinformática se ocupa de la creación de modelos simplificados de la realidad que nos permiten entender mejor un fenómeno y realizar predicciones sobre el comportamiento del sistema en caso de que algo cambie. Este es un libro sobre la vida… ¡pero en bits! (…)

¿Big Bang? No, Bío bang Durante mucho tiempo, la biología se preguntó cómo funcionan los organismos vivos. “Mucho tiempo”, acá, es un eufemismo para referirse a casi toda la historia de la humanidad, desde las primeras teorías sobre la vida hasta la actualidad. Entender los sistemas desde la observación crítica y mediante la aplicación del método científico ha sido el motor de las ciencias biológicas durante años y permitió llevar adelante muchos avances biotecnológicos.

Entender el sistema ofrece la capacidad de manipularlo y mejorarlo. Por eso hoy tenemos productos biológicos bien diferenciados de sus formas ancestrales. Hemos sido capaces de seleccionar tomates más rojos y jugosos, lechugas más frondosas y apetecibles, plantas de maíz más enanas y con mayor producción de granos y una lista prácticamente interminable de etcéteras que van desde los injertos vegetales hasta la domesticación de los animales.

A pesar de la evidente ventaja que hemos sabido sacarle a la biología solo con observarla, aprender mirando parece tener una connotación negativa en el ámbito pedagógico. Esto tiene que ver con que, para la mayoría de las personas, es mucho más fácil aprender haciendo. La pregunta que prima en esta sección es, entonces, ¿se puede hacer biología? ¿Se puede crear la vida?

En el capítulo anterior discutimos distintas formas de modelar la vida. La biología sintética es, para muchos, una caprichosa prueba de concepto cuyo fin es mostrar la capacidad de esos modelos para reproducir la realidad. Para otros, es un campo naciente que permite explorar una nueva pregunta biológica: ¿cómo podrían ser los organismos vivos?

Imitar la biología

Para los nacidos en la década de 1980, el Tamagotchi fue una parte de la infancia casi con seguridad. Era un juguete electrónico que cabía en la palma de la mano y tenía una pantalla y un par de botones. El objetivo del juego era cuidar a una mascota, desde que salía del huevo hasta su muerte, lo que implicaba darle de comer, jugar con ella y cuidarla si estaba enferma.

A mediados de los años 90 surgió un juego de computadora llamado Creatures, que llevó esto un paso más allá: había que criar a una raza extraterrestre y ayudarla a sobrevivir. Cada individuo estaba manejado por una inteligencia artificial, por lo cual podía aprender cosas y responder a los estímulos que se le presentaban. No solo eso, sino que cada uno tenía su propio “ADN” que podía mutar y evolucionar en las generaciones siguientes. Como un individuo vivía un promedio de cuarenta horas, era sencillo seguir los cambios que aparecían en una población a través de las generaciones. Para audiencias más jóvenes, quizás títulos como el Spore™ o el Plague Inc. resulten más familiares.

En el primero, el jugador comienza como una forma de vida unicelular inferior y adquiere, a lo largo del desarrollo del juego (que emula el paso de la evolución), nuevas herramientas biológicas para sobrevivir en nuevos ambientes, mientras que en el segundo, el jugador deberá administrar las virulencias de un agente infeccioso para lograr infectar a todo el mundo antes de que los científicos hallen una cura. Imaginen la relevancia que tienen los modelos epidemiológicos, que vimos en el capítulo anterior, para recrear este tipo de simuladores. Si bien estos juegos no intentan ser realistas ni biológicamente correctos, sirven como un acercamiento hacia la idea de simular la vida.

Un gusanito muy simpático

Desde que las computadoras lo permiten, la idea de poder simular el funcionamiento de un organismo es algo que ha despertado la atención de los científicos. Crear un Tamagotchi realista de un organismo nos daría la posibilidad de estudiarlo exhaustivamente, modificar los estímulos o el ambiente para ver “qué pasaría si…”.

Con esta idea surgió el proyecto internacional OpenWorm a principios de 2011, que trabaja con un gusanito llamado Caenorhabditis elegans, o C. elegans para los amigos. Este gusano de cuerpo cilíndrico y un milímetro de longitud es uno de los organismos más simples entre los que cuentan con un sistema nervioso.

El objetivo de este proyecto es construir una emulación completa y biológicamente realista del gusano, además de descifrar todo el camino de genes involucrados en su comportamiento. Para esto, cuentan con gran cantidad de información, ya que ha sido muy estudiado desde la década de 1970: fue el primer organismo multicelular cuyo genoma fue secuenciado completamente, y también se conoce el mapa de todas las conexiones existentes entre sus neuronas (el conectoma).

El OpenWorm permite explorar toda la anatomía celular del gusano en 3D.

El objetivo a largo plazo de este consorcio es la simulación de grandes sistemas biológicos, como el cerebro humano. De hecho, ya han dado otro paso adelante en 2016: con el proyecto Neurokernel, se ha conseguido simular el cerebro de la mosca de la fruta.

Una idea parecida llevó a investigadores de Stanford a buscar la forma de modelar un parásito intracelular llamado Mycoplasma genitalium. Esta bacteria vive en el tracto genital y se contagia a través del intercambio de fluidos en relaciones sexuales sin protección. Tiene un genoma pequeño, compuesto por 525 genes, y ha sido ampliamente investigada por grupos de científicos alrededor del mundo.

El equipo de Stanford unificó toda la información que había sobre el parásito en más de novecientas publicaciones científicas. Esto incluyó datos del genoma, el ARN, las proteínas y las reacciones químicas que suceden dentro de la célula. Sobre la base de esta información, construyeron una célula virtual que consiste en veintiocho módulos funcionales que operan de forma independiente pero se comunican entre ellos para coordinar tareas.

Repensar la vida a partir de la vida

Podemos abstraer la vida, como concepto, a un conjunto de máquinas microscópicas que trabajan coordinadamente para realizar procesos complejos. Todas esas máquinas están programadas para hacer algo en particular. Sabemos que la función de una proteína, por ejemplo, dependerá de su forma tridimensional, y esta, a su vez, de la secuencia de aminoácidos que la componen. Ahora observemos este asunto de la manipulación de la vida con ojos de bioinformático. En definitiva, si llevamos la metáfora al límite y pensamos en la célula como una computadora, podríamos proponer que cada gen es un programa y que, del funcionamiento coordinado de estos programas, sacamos un organismo andante.

Si todo lo que sabemos sobre la manipulación genética es cierto, y seguimos profundizando la metáfora de la célula como computadora, cabe preguntarse: ¿podemos instalar un conjunto de programas nuevos y tener una vida nueva? Esta pregunta fue el motor de la primera experiencia biosintética en la historia y se desprendió de un trabajo que exploramos anteriormente.

Aquel modelo in silico de Mycoplasma genitalium fue utilizado para desarrollar el primer genoma puramente sintético y, con ello, la primera forma de vida de diseño humano. Para hacerlo, los investigadores tomaron el genoma de la bacteria y, sobre la base del modelo previamente descrito, eliminaron de este todos los genes no esenciales (es decir, todos aquellos de los que la bacteria podría prescindir). Así obtuvieron un nuevo genoma con la cantidad mínima e indispensable de genes. Acto seguido, transfirieron este genoma sintético a una célula de Mycoplasma caprolicum, una bacteria relacionada. Poco después de la transferencia, la célula daría cuenta del contenido genético excedente y se dividiría en dos células hijas y hermanas. Una de ellas sería de Mycoplasma caprolicum y la otra sería la célula sintética: Mycoplasma laboratorium.

En este nuevo organismo, los investigadores del Instituto Craig Venter, autores del trabajo, se dieron el lujo de agregar al genoma una serie de marcas de agua para controlar el éxito del experimento, pero sobre todas las cosas para radicalizar su impacto. Las marcas de agua fueron cuatro:

1. Un pseudocódigo HTML (es decir, el que usan los navegadores de internet) con una felicitación a aquel que hubiera secuenciado el genoma de M. laboratorium.

2. Una lista de algunos autores del trabajo, con una cita de James Joyce que dice: “To live, to err, to fall, to triumph, to recreate life out of life”, lo que podría traducirse como “Vivir, errar, caer, triunfar, recrear vida desde la vida”.

3. Otra lista con más autores y una supuesta cita de Robert Oppenheimer: “Ve las cosas no como son, sino como podrían ser”.

4. Y, finalmente, otra lista de autores adjuntos a una cita del físico Richard Feynman, que coronaría el trabajo: “Lo que no puedo construir, no lo entiendo”.

Aprender haciendo

Hasta acá, todo muy bien con esto de agarrar un genoma, limpiarlo un poquito y enchufarlo en otra bacteria, pero… ¿es posible introducir nuevos comportamientos en un organismo? Este es el enfoque que propone la biología sintética, que se puede pensar como un cambio de paradigma con respecto a la modificación transgénica tradicional: en lugar de modificar los funcionamientos existentes, ahora es posible concebir comportamientos nuevos a los que la evolución no ha dado lugar aún o que nunca vayamos a ver.

El primer hito histórico al que tenemos que atender viene de la mano de la ingeniería genética: la capacidad de editar genes y genomas. Aun cuando todavía no tenía nombre oficial, a principios de la década de 1970, la ingeniería genética daría su primer paso en este sentido, con el descubrimiento de las enzimas de restricción, halladas por primera vez en aislamientos de células de chimpancé y con posterioridad descriptas para prácticamente cualquier forma de vida que se pueda imaginar. Las enzimas de restricción son proteínas capaces de reconocer y cortar, por lo general con alto grado de especificidad, ciertas secuencias de ADN. Su nombre responde a que esta función tan peculiar es, en realidad, un mecanismo de defensa contra moléculas de ADN foráneo, como por ejemplo un virus. Es decir que, cuando la célula se viera atacada por alguno de ellos, habría una enzima capaz de destruir esa cadena de ADN antes de que fuera demasiado tarde. Hay muchísimas enzimas de este tipo, con distintos tropismos (o sea, con distintas secuencias preferidas para cortar), y eso sugiere que, si conocemos las secuencias que queremos editar, casi con seguridad encontraremos una enzima capaz de cortarla. Para eso, entonces, una vez que tengamos el ADN cortado, necesitaremos aquello que queramos pegar entre medio y algo para, efectivamente, pegarlo. El elemento que unirá nuestro collage genético será una ligasa, una enzima capaz de generar el enlace químico necesario para unir dos cadenas de ADN.

Aquí podrán preguntarse para qué querría uno cortar y volver a pegar una secuencia de ADN. La respuesta radica en que, aunque escribir directamente los genes o los genomas dentro de una célula puede ser complejo, resulta que copiar y pegar genes es relativamente simple. Como hacer un trabajo práctico robando párrafos de Wikipedia… pero con genes. Y por el bien de la analogía, entonces, vamos a necesitar una Wikipedia genética.

Es decir, un lugar de donde podamos copiar un gen. Y esto nos llevará a nuestro segundo hito, que llegó ya en los albores de la ingeniería genética, promediando la década de 1980, y que sería nada menos que el desarrollo de una técnica conocida como PCR (por su sigla en inglés, polymerase chain reaction [reacción en cadena de la polimerasa]). Esta técnica permitió, y permite, copiar una región específica del ADN, generar un alto número de copias de ADN en muy poco tiempo (1-3 horas, según la longitud) y aumentar exponencialmente en el tiempo la cantidad de ADN en una muestra aportando mucho material para nuestro collage. Tercero, y no menos importante, la secuenciación automática, en la que ya hemos abundado en capítulos anteriores, permitió leer y obtener con un alto grado de especificidad la secuencia de pequeños segmentos de ADN. Esto implica que podremos identificar y copiar prácticamente cualquier secuencia de cualquier organismo. Estos últimos dos hitos serán nuestra Wikipedia, y las herramientas de edición nos permitirán hacer toda clase de injertos moleculares.

De esta manera, seremos capaces de insertar pequeños segmentos de ADN en regiones específicas de un gen o de un genoma entero. Podemos hacer que una planta de maíz tenga un gen de banana, o que una bacteria “fluorezca” agregándole un gen de medusa fluorescente. Copiar y pegar. A pesar de que esta tecnología no podría considerarse biología sintética per se, ha sido una herramienta fundamental para que hoy estemos hablando sobre el cambio de paradigma propuesto en esta sección. Si podemos modificar la vida, no podemos estar tan lejos de crearla ex novo.

Programar biología: BioBricks

La ingeniería genética proporcionó las herramientas necesarias para introducir cambios en las secuencias de ADN y, de esta manera, crear organismos con nuevas características. ¿Es posible que las computadoras sean aliadas a la hora de diseñar estos cambios? Para comenzar a responder esta pregunta, lo más importante es entender que la biología sintética implica diseñar un programa genético. Este programa debe ser insertado en una célula para que sea interpretado. A la hora de producir nuestros programas genéticos, necesitaremos un lenguaje unificado y bien estructurado que nos permita, literalmente, programar la vida; que sea extensible a cualquier función biológica que podamos pensar, y con el que se pueda diseñar una gran variedad de programas biológicos. Con esto en mente, se desarrolló de forma comunitaria un lenguaje de programación al que se bautizó como “lenguaje abierto para la biología sintética” (o SBOL, por sus siglas en inglés). El SBOL define componentes denominados BioBricks que funcionan como bloques. Literalmente, el componente bricks en su nombre refiere a bloques (o ladrillos) en inglés. Podemos pensar en estos bloques como ladrillitos de ensamblaje. Quienes ostentamos la suerte de tener un balde de ladrillitos de pequeños, podremos recordar que se podía hacer con ellos prácticamente cualquier cosa (a quienes no han tenido esa suerte, les sugerimos que corran a la juguetería, consigan un balde de esos y se lo regalen a su infante de preferencia).Como los ladrillitos, los BioBricks pueden combinarse de manera distinta y dar lugar a diversos comportamientos, como lo harían las secuencias de instrucciones en un programa de computadora. Con ayuda del SBOL, empezaron a aparecer abstracciones que permiten modelar los comportamientos de los organismos vivos, sin depender específicamente de una especie (o modelo biológico) en particular, lo cual es de gran utilidad para diseñar comportamientos biológicos sin depender tanto de procesos o fenómenos específicos de cada forma de vida. Todos estos elementos posibilitaron a los científicos pensar y usar a las células de un modo predecible y pseudodeterminista, una cualidad que se impone entre las más importantes en los procesos de cómputo que llevan adelante las computadoras.

Ladrillitos para construir programas genéticos: el promotor reclutará la maquinaria de transcripción, regulado de alguna manera específica, para expresar una proteína verde fluorescente. Así tendremos una especie de sensor que “fluorescerᔠcuando se cumpla la condición del regulador

Biotecnología sintética

Aunque estemos ante una disciplina incipiente, las aplicaciones de esta promesa tecnológica no se han hecho esperar. Existen ya prototipos funcionales de formas de vida especialmente diseñadas para monitorear concentraciones de biomoléculas (biosensores), con aplicaciones que van desde el diagnóstico hasta la vigilancia ecológica; para optimizar rutas metabólicas (ingeniería  metabólica), de alto interés en procesos industriales y emprendimientos de minería; para operar como microcomputadores o compuertas lógicas, con alto potencial de impacto en microelectrónica, y hasta como formas de almacenamiento de información.

Como casi siempre que aparece algo que rompe los moldes de lo que sabemos y podemos hacer, las promesas son muchas y, en la actualidad, la biología sintética es un mercado que mueve 2 mil millones de dólares anuales en inversión de riesgo. El tiempo dirá si se trata solo de promesas o si estamos a punto de entrar en una nueva era para la biotecnología.

Una parada bioética

Hasta aquí, hemos tratado de hilvanar algunos conceptos rudimentarios de biología molecular e ingeniería genética para construir la idea de que podemos no solo entender la vida y hacer modelos sobre su funcionamiento, sino también manipularla.

La célebre frase de que “un gran poder conlleva una gran responsabilidad” resulta apropiada para pensar y repensar todo lo que se ha explorado en este capítulo y todo lo que probablemente haya quedado titilando en el imaginario del lector. Como muchísimos otros saltos tecnológicos en la historia de la humanidad, es necesario que tanto científicos como ciudadanos interpelen el desafío ético que implica la capacidad de crear vida y, fundamentalmente, la necesidad de hacerlo de un modo responsable.

 

☛ Título Vida.exe

☛ Autor E. Lanzarotti, L. Uran Landaburu y M. Banchero

.☛ Editorial FCE
 

Datos de los autores

Esteban Lanzarotti es licenciado en Ciencias de la Computación y doctor en Química Biológica por la UBA.

Lionel Uran Landaburu es licenciado en Biotecnología y realiza su doctorado en el Laboratorio de Genómica y Bioinformática de Trypanosomátidos de la Unsam.

Martín Banchero es licenciado en Ciencias Biológicas por la UBA y máster en Bioinformática y Biología de Sistemas de la universidad Uva-vu de Amsterdam.