La biología sintética diseña la próxima revolución genómica
La biología sintética ensambla y programa aplicaciones vivas
La biología sintética es la próxima generación de la genómica, que aporta un enfoque impulsado por el diseño y el desarrollo de terapias y diagnósticos.
A medida que la biología sintética evoluciona, los científicos descubren que pueden programar células como si fueran computadoras, producir ADN a escala, entregar ARN a objetivos no hepáticos con relativa facilidad y mucho más. Igual de importante, la biología sintética está comenzando a producir beneficios.
“Estamos en la versión 2.0 ahora, donde la tecnología se aplica a los productos de mayor valor, [lo que significa] que las empresas tienen la posibilidad de obtener ganancias”, declara Emily Leproust, PhD, directora ejecutiva de Twist Bioscience. A continuación, veremos organizaciones potenciando algunas áreas para grandes cambios”. Sin embargo, antes de que se puedan lograr esos grandes cambios, la biología sintética debe resolver algunos problemas mecánicos.
"Necesitamos hacer un mejor trabajo para inferir los principios de diseño para la biología y comprender cómo los componentes biomoleculares interactúan entre sí en los circuitos de genes sintéticos y con el huésped", admite James J. Collins, PhD, Profesor Termeer de Ingeniería y Ciencias Médicas, Massachusetts. Instituto de Tecnología (MIT). “También seguimos teniendo una necesidad significativa de una mayor cantidad de partes moleculares para crear dispositivos de biología sintética”.
Conmutadores de ARN para células programables
El laboratorio de Collins está trabajando para aumentar la cantidad de piezas disponibles mediante el uso de aprendizaje automático para diseñar interruptores de ARN para plataformas de diagnóstico y mediante la ingeniería de circuitos de genes sintéticos y células programables en bacterias.
Los beneficios de un enfoque de aprendizaje automático/inteligencia artificial para el descubrimiento y desarrollo de piezas moleculares incluyen una mejor comprensión de la función de los sistemas y componentes biológicos naturales, y el reconocimiento de que muchos de estos sistemas y componentes pueden reutilizarse para aplicaciones biomédicas y biotecnológicas. “CRISPR es un ejemplo emocionante”, señala Collins.
"Es emocionante pensar que hay mecanismos adicionales relacionados y no relacionados por descubrir". Sus objetivos inmediatos para el desarrollo de interruptores de ARN son avanzar hacia aplicaciones biomédicas e integrar mejor la inteligencia artificial con la biología sintética. Collins también está trabajando en circuitos de genes sintéticos y células programables. Por ejemplo, está diseñando bacterias para permitirles “producir una enzima para descomponer un fármaco, o una molécula para controlar una enfermedad”.
Se está realizando un trabajo de este tipo en el laboratorio del MIT de Collins, así como en Synlogic, una empresa que Collins cofundó.
Synlogic desarrolla "Biótica sintética". Varios se encuentran actualmente en ensayos clínicos, incluidos los bióticos sintéticos para tratar tumores sólidos. “La biología aún no es una disciplina de la ingeniería”, señala Collins. “Eso lo hace emocionante, porque queda mucho trabajo por hacer para expandir las herramientas necesarias y las listas de piezas”. Él sugiere que los científicos eventualmente leerán la actividad intracelular en tiempo real y usarán máquinas de escritorio para sintetizar ADN de manera rápida y económica.
Tratar el código de ADN como código de computadora
Ginkgo Bioworks desarrolla programas celulares como las compañías de software desarrollan programas de computadora, excepto que Ginkgo trabaja con bases de ADN en lugar de ceros y unos. La idea es dar a las células un código modular y reutilizable para que puedan producir cualquier cosa, desde productos terapéuticos hasta alimentos sintéticos.
“El ADN es un código digital que se puede escribir y luego imprimir mediante la síntesis de ADN”, destaca Jason Kelly, PhD, cofundador y director ejecutivo de Ginkgo. “Las herramientas son las mismas para programar una célula, independientemente de si el resultado es terapéutico, químico o alimentario”.
Kelly y los otros cofundadores Ginkgo, incluido Tom Knight, investigador sénior del MIT y “padrino de la biología sintética”, tienen la intención de hacer realidad una visión: una empresa de biología sintética que funcione como una empresa de tecnología de la información (TI).
En consecuencia, Ginkgo utiliza una plataforma horizontal, un sistema operativo y lenguajes para la programación celular. Los cofundadores de la empresa creen que, así como no es necesario ser ingeniero informático para programar una computadora, tampoco es necesario ser biólogo para programar una célula.
Dos proyectos son de particular interés para Kelly. Uno cierra las brechas en la cadena de suministro de vacunas de ácido nucleico y es vital para la respuesta al COVID-19. “Las enzimas clave para fabricar medicamentos basados en ácidos nucleicos escasean”, señala.
“Hasta la pandemia, se usaban principalmente para I+D”. Las enzimas escasas, agrega, incluyen las enzimas de protección. El otro proyecto es el programa de descubrimiento de antibióticos de Ginkgo con Roche.
En este programa, el trabajo de Ginkgo involucra el uso de un programa de extracción de genoma (adquirido de la división Warp Drive Bio de Revolutions Medicine) para explorar bases de código que abarcan más de 135.000 cepas bacterianas mientras “busca conjuntos interesantes de genes”, dice Kelly.
"La detección de los genomas es una nueva forma de buscar compuestos". Las bases de código incluyen códigos genéticos desarrollados específicamente para los clientes de Ginkgo. “Nos reservamos el derecho de reutilizar el código genético”, señala Kelly. La reutilización es práctica porque el código genético es modular (al igual que el código de TI), lo que reduce los tiempos y costos del proyecto para cada socio.
El doble de ADN en la mitad de tiempo
Twist Bioscience está reduciendo a la mitad el tiempo necesario para producir ADN, de modo que se puedan sintetizar grandes cantidades en aproximadamente una semana. Al sintetizar el ADN más rápidamente,
Twist espera contribuir al desarrollo de la medicina personalizada, un tipo de medicina en la que “cada uno obtiene su propio fármaco para sus propias mutaciones”, dice Leproust. Anticipa que la medicina personalizada “hará que enfermedades como el cáncer sean enfermedades crónicas”. El cáncer de un paciente podría controlarse tratándolo con un nuevo fármaco cada vez que muta.
Este enfoque es factible, señala Leproust, porque "podremos secuenciar el cáncer a medida que evoluciona". Para potenciar aún más la síntesis de ADN, Twist Bioscience continúa miniaturizando su chip de silicio.
“Podemos hacer 1 millón de oligos por chip ahora”, afirma Leproust. “En unos años, podremos producir billones de oligos, saltándonos por completo la etapa de mil millones de oligos. “Ahora tenemos 1 millón de características en un chip de 50 micras. Ese es el tamaño de un cabello humano, pero es el Gran Cañón en “Sillicon Valley”.
Twist Bioscience utiliza el chip de silicio que se muestra en esta imagen para "escribir" el ADN a escala comercial. Un chip de este tamaño produce alrededor de 1 millón de oligonucleótidos. La empresa indica que sigue miniaturizando la síntesis de ADN, y que en unos años podrá fabricar billones de oligonucleótidos por chip.
Estamos reduciendo la dimensión de esa función 1.000 veces para crear 1 millón de veces más oligos. Reducir el tamaño de la característica en un factor de 10 aumenta la cantidad de características en un cuadrado, por lo que hacer un pozo 10 veces más pequeño crea 100 veces más características”.
El desafío está en las pruebas. “Si hago una pieza de ADN, es fácil decir si es bueno o malo”, señala Leproust. "Ahora que vamos a 1 billón, sin embargo..."
La solución de Twist Bioscience es secuenciar los billones de piezas de ADN creadas en este nuevo chip. Esta solución permitirá que Twist Bioscience complete pedidos más grandes más rápido, lo que, dice Leproust, permitirá a los clientes de la compañía "acelerar sus programas de descubrimiento".
Twist Bioscience está desarrollando este chip en particular para usar el ADN como medio de almacenamiento para archivos de datos archivados. “Alrededor del 60% de los datos del mundo están archivados”, dice Leproust. “A menudo, se escribe una vez y nunca se lee”.
Con las tecnologías de almacenamiento tradicionales, mantener la capacidad de acceder a los datos se vuelve doloroso y costoso. “Podemos convertir los 0 y los 1 en ACGT, hacer el ADN en nuestro chip de silicio y almacenarlo durante mil años o más”, afirma Leproust.
“Si es necesario, los técnicos/robots pueden extraer el ADN del chip y luego realizar PCR en el ADN para extraer un archivo específico, secuenciarlo y devolver el archivo al usuario dentro de las 24 horas”.
El almacenamiento de ADN puede tener el mismo precio que el almacenamiento en disco duro, sin el costo de las transferencias posteriores a medida que los métodos de almacenamiento se vuelven obsoletos.
Entrega de ARN fuera del hígado
En el Instituto de Tecnología de Georgia, James Dahlman, PhD, profesor asociado de ingeniería biomédica, ha desarrollado un sistema que puede administrar ARN y ADN a objetivos distintos del hígado.
El sistema utiliza nanopartículas que incorporan códigos de barras de ADN para verificar que las cargas útiles terapéuticas van donde se necesitan. “Aunque está claro que las terapias de ARN y ADN pueden hacer mucho bien, no podemos entregarlas exactamente donde queremos”, dice Dahlman.
Por lo tanto, muchas terapias potenciales no se pueden desarrollar. “Todos los medicamentos de ARN que han funcionado se envían al hígado o, como las vacunas de ARNm, se inyectan en el brazo y el tejido circundante los absorbe”, señala Dahlman. Pero si la carga útil, el mRNA o siRNA, pudiera entregarse a objetivos específicos fuera del hígado, las terapias podrían desarrollarse para una gama más amplia de enfermedades.
Un mejor enfoque de focalización también podría aplicarse a las terapias celulares y génicas en general. “Muchos científicos están trabajando en la entrega de ARN no hepático”, observa. “Lo que nos distingue es la capacidad de ejecutar miles de experimentos simultáneamente”. Este enfoque fue desarrollado en Guide Therapeutics, una empresa que Dahlman cofundó y que desde entonces ha sido adquirida por Beam Therapeutics.
El código de barras de ADN, afirma Dahlman, puede ayudar a los científicos a determinar qué vehículos de entrega son los mejores para un tejido o carga útil específicos. “Hay muchas opciones”, continúa, “y necesita una forma de reducirlas, de ahí el código de barras”. Dahlman etiqueta el vehículo de entrega con una secuencia conocida de ADN en lugar de una etiqueta fluorescente.
El beneficio, dice, es que "puedes secuenciar muchos con una sensibilidad exquisita". Esta capacidad debería permitir acelerar el desarrollo de fármacos que no tengan objetivos hepáticos. Dahlman también está encontrando mejores formas de traducir datos de modelos de ratones a animales más grandes. Tiene 10 artículos de revistas en varias etapas de preparación o revisión y dice que espera que uno en particular tenga un gran impacto. Este artículo, insinúa, trata sobre "una de las nuevas tecnologías que estamos desarrollando que podría usarse para estudiar los cambios en la entrega dependientes de las especies".
iPSC listos para usar para conformidad
Fate Therapeutics está desarrollando células madre pluripotentes inducidas listas para usar (iPSC). La empresa crea bancos de células maestras renovables mediante la expansión de líneas iPSC clonales de ingeniería multiplexada a partir de una sola célula. “Puede lanzar cada experimento de laboratorio y cada campaña de fabricación con el mismo material de partida”, dice Bob Valamehr, PhD, director de I+D de la empresa. “Es uniforme y consistente”. En consecuencia, es capaz de producir productos de mayor calidad.
Usando el concepto de “banco de células maestras de una sola célula”, Fate creó FT596, una terapia de células asesinas naturales (natural killer, NK) lista para usar y de múltiples objetivos que expresa un receptor de antígeno quimérico (CAR) optimizado para células NK y dirigido por CD19 y un receptor CD16 Fc no escindible de alta afinidad.
A continuación, se añadió un receptor de fusión IL15-IL15Ra, lo que permitió que las células se expandieran sin el apoyo externo de citoquinas y extendieran la supervivencia y la eficacia de las células. “Este es el primer producto de células NK que contiene uniformemente… entidades de ingeniería distintas que se pueden fabricar de forma rutinaria a partir de un material de partida uniforme ya gran escala”, afirma Valamehr.
“Este enfoque listo para usar puede reducir los costos por tratamiento en un factor de 100, y el paciente no tiene que esperar a que se fabrique una terapia autóloga porque se entrega a pedido”.
El enfoque, que se denomina activación lógica, sugiere que se pueden combinar muchas modalidades sintéticas para atacar, en conjunto, cada defensa que monta una célula cancerosa después de un ataque. De esta forma, explica Valamehr, “podemos empezar a pelar la cebolla para llegar al corazón del cáncer y eliminarlo para siempre”. Él predice que en la próxima generación de productos iPSC, los transgenes insertados pueden comunicarse entre sí.
El objetivo de Fate, afirma Valamehr, es "expandir la fabricación a la escala de 10.000 L para que, algún día, los farmacéuticos puedan almacenar las terapias iPSC y surtirlas con receta".
“Reconectando” biosensores desconocidos
En la Universidad de Rice, Jeffrey Tabor, PhD, profesor asociado de bioingeniería, está desarrollando biosensores de próxima generación. Su enfoque reutiliza los sistemas de señalización de dos componentes en bacterias para producir nuevos diagnósticos médicos y terapias y, tal vez, superar la resistencia a múltiples fármacos.
“El desafío”, explica, “es que de los aproximadamente 50.000 sistemas de dos componentes que se han identificado, aproximadamente el 99% no están caracterizados”.
Sin embargo, su actividad básica es la misma. Una quinasa sensora en la superficie de la célula bacteriana reacciona a un estímulo e inicia la fosforilación para activar un regulador de respuesta dentro de la célula, que activa o desactiva un gen específico.
“Podemos verlos”, dice, “pero no sabemos qué están detectando y qué genes están regulando”. Se sabe muy poco acerca de estos sistemas. La mayoría de las bacterias que las contienen no se pueden cultivar en un laboratorio.
Tabor y su equipo están desarrollando tecnología para descubrir qué detecta un sistema de dos componentes. Se basa en la secuenciación del genoma, la búsqueda del sistema y la reconstrucción del sistema mediante la síntesis de genes. Luego, el sistema puede volver a expresarse en Escherichia coli u otras bacterias convenientes.
La segunda parte de su investigación consiste en "reconectar el sistema" utilizando tijeras moleculares o métodos in silico para identificar y editar el dominio de unión al ADN en el receptor de respuesta.
Esencialmente, un segmento de ADN se reemplaza con una alternativa bien caracterizada que luego se puede expresar y, por lo tanto, medir. “En última instancia, queremos usar este sistema para controlar la producción terapéutica en el cuerpo”, afirma Tabor. “Piense en ello como 'Dr. Robot' en el cuerpo. Pasa el rato, detecta la enfermedad y luego produce un gen reportero para activar la producción de un tratamiento específico.
“Estamos transfiriendo la tecnología a una empresa nueva, PanaBio, para producir bacterias diagnósticas y terapéuticas. También estamos colaborando con un laboratorio de biomateriales para producir materiales de hidrogel” para encapsular las bacterias en una membrana semipermeable a través de la cual pueden cruzar las moléculas terapéuticas, pero no las bacterias. “Nuestro objetivo”, continúa, “es tener esto en la clínica dentro de cuatro años”.
La biología sintética constituye la próxima revolución en las ciencias de la vida, y ahora está pasando del laboratorio de investigación a la cabecera de la cama.
En un futuro no muy lejano, estarán disponibles terapias diseñadas de manera más concisa que serán aún más efectivas, mejor dirigidas y más seguras para los pacientes.
Extraído de GEN, septiembre 2021, realizado por Gail Dutton.