BIOLOGÍA SINTÉTICACiencia y sociedad en el siglo XXI

Eva Sutton, Hybrids (2000)

Dra. Maria Antonia Malajovich / ORT Uruguay – 6 y 8 de octubre de 2015

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,

MAGE, ZINC fingers, CRISPR).

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. LLEGADA DE LAS BIOINDUSTRIAS

Amyris Biotechnology, Solazyme, Algenol, Tyton etc.

AMYRIS / UNA HISTORIA DE ÉXITOo J. Keasling et al. (2000). Joint BioEnergy Institute (Berkeley)

o Patente (2001)

o 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 $).

DE LA ARTEMISINA AL FARNESENO: EL CONCEPTO DE BIORREFINERÍA

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).

UNA PLATAFORMA TECNOLÓGICA AVANZADA

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

LA LÍNEA DEL TIEMPO

o Construcción de los primeiros 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 Innovation Programdel Woodrow Wilson International Center for Scholars. Financiado por la Alfred P. SloanFoundation. http://www.synbioproject.org/

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 (JuneGoodfield, 1977)

o Escándalo Frostban (Bacterias Ice minus) (Fin de los 70, década de 80).

– Comienzan las acciones legales, lideradas por Jeremy Rifkin, de laFoundation on Economic Trends (FET) para impedir la realización de testesde campo.

– Primera liberación en campo de un microorganismo genéticamentemodificado (1987).

– Frente a la resistencia encontrada, varias empresas se retiran de esesegmento comercial.

o Crecimiento de una actitud tecnofóbica como respuesta a variosescándalos: sangre contaminado, vaca loca etc. (décadas de 80 y 90).

o Errores de marketing.

Actualmente, persiste una percepción aguda de riesgo en relación a laingeniería genética y a los transgénicos. Los conflictos suelen estarcentralizados alrededor de los alimentos y del control de la agriculturapor 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.

http://www.synbioproject.org/inventories/maps-inventory/

UNA DISTRIBUCIÓN INTERESANTE

UN AMBIENTE ACADÉMICO FAVORABLE

o Libre acceso a la información yal uso de los biobricksdisponibles y permitidos.(Internet, open source).

o Actividades acotadas por variasorganizaciones.

(SYNBIOSAFE, SYNBERC, ERASYNBIO,SYNBIOproject etc.)

http://parts.igem.org/Main_Page

o Imagen tranquilizadora del Lego

o Organización de competiciones comoiGEM, por instituciones respetadascomo MIT, Harvard Berkeley etc. yBIOBRICKS FOUNDATION

o Los trabajos son divulgados(http://igem.org/Results) y el análisisdetallado muestra una preocupacióncreciente con la bioseguridad, que esuna exigencia de los proyectos (GuanZ-J et al, 2013).

o Nótese que, para los mismos autores,a pesar de muy buenas ideas, ningunoobtendría la aprobación de lasinstituciones de bioseguridad parauso médico o medioambiental.

UN AMBIENTE ACADÉMICO FAVORABLE

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

o Costo = US$ 20 millones(Next big Future http://nextbigfuture.com/)

We report the design, synthesis, and assembly of the 1.08-Mbp Mycoplasmamycoides JCVI-syn1.0 genome starting from digitized genome sequenceinformation and its transplantation into a Mycoplasma capricolum recipientcell to create new Mycoplasma mycoides cells that are controlled only by thesynthetic chromosome. The only DNA in the cells is the designed syntheticDNA sequence, including "watermark" sequences and other designed genedeletions and polymorphisms, and mutations acquired during the buildingprocess. The new cells have expected phenotypic properties and are capableof continuous self-replication.

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 unicamente 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 espacio naveen suplementos útiles.

PERSPECTIVAS ECONÔMICAS

• 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 in serving science, with revenues of $17 billion and

approximately 50,000 employees in 50 countries. Our

mission is to enable our customers to make the world

healthier, cleaner and safer. We help our customers

accelerate life sciences research, solve complex analytical

challenges, improve patient diagnostics and increase

laboratory productivity.

Through our premier brands – Thermo Scientific, Applied

Biosystems, Invitrogen, Fisher Scientific and Unity Lab

Services – we offer an unmatched combination of innovative

technologies, purchasing convenience and comprehensive

support.

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 codons 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 Obama unavigilancia 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.do

c (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, quedan algunos puntos en abierto:

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.)