La revolución de la biología sintética: ingeniería para domesticar la complejidad de la vida

Autoría Víctor de Lorenzo Prieto Profesor de Investigación, Biología Sintética, Centro Nacional de Biotecnología (CNB – CSIC)   Un viento fuerte lleva ya algunos años soplando en las ciencias de la vida. Se llama biología sintética. Y como...

18 de mayo, 2023 La revolución de la biología sintética

Autoría

Profesor de Investigación, Biología Sintética, Centro Nacional de Biotecnología (CNB – CSIC)

 

Un viento fuerte lleva ya algunos años soplando en las ciencias de la vida. Se llama biología sintética. Y como cualquier viento fuerte, puede empujar al barco mucho más allá del territorio conocido.

En su versión contemporánea, la biología sintética nació en los primeros años del siglo XXI. Y no precisamente en el mundo de la biología, sino entre los ingenieros electrónicos y computacionales del área de la bahía de Boston. Algunos académicos de ese entorno comenzaron a preguntarse por las interacciones entre los componentes materiales de un sistema vivo que hace (como en cualquier máquina fabricada por humanos) que funcionen como funcionan.

Para ello hay que abordarlos no con una perspectiva evolutiva (como es habitual entre los biólogos), sino con abstracciones y métodos de análisis tomados de la electrónica, la manufactura industrial y la computación, junto con sus correspondientes herramientas matemáticas. Y así nace la biología sintética, que es, nada más y nada menos, que mirar a los sistemas vivos y su complejidad a través de la lente de la ingeniería.

Como piezas de LEGO

Con esa perspectiva, cualquier sistema biológico, por complicado que sea, se puede descomponer en un conjunto finito de módulos y dispositivos. Estos a su vez se pueden dividir en partes con formatos, conectividades y funcionalidades definidas, todas ellas codificadas en secuencias de ADN.

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Y aquí viene la proposición más novedosa (e inquietante) de la biología sintética: con esa misma lógica y jerarquía de partes, dispositivos, módulos y sistemas, uno puede reconectar de forma racional esos ingredientes biológicos de una forma distinta para dar lugar a propiedades no existentes antes en la naturaleza. Es como descomponer una máquina hecha con piezas de LEGO y construir con ellas otra máquina distinta.

De esta forma, la relación de la ingeniería con la biología deja de ser metafórica (como en la ya clásica ingeniería genética) para convertirse en una verdadera metodología constructiva y deconstructiva de los objetos vivos. Si nuestros antepasados usaban la madera de los árboles para hacer vigas y casas, la biología sintética emplea partes biológicas codificadas en el ADN para construir racionalmente ítems biológicos con propiedades distintas a las ya existentes.

La utilización de bacterias como un film fotográfico, como sensores ópticos de minas antipersonales o como productores de combustibles son solo algunos ejemplos tempranos de ese enorme potencial.

Este nuevo marco conceptual tiene sus raíces en la biología molecular (iniciada por los físicos después de la Segunda Guerra Mundial) y la biología de sistemas (la comprensión matemática de la complejidad biológica), pero diverge de ellas porque su agenda no es entender, sino hacer.

Esto la convierte en una especie de tercera ola de la biotecnología tras la primera, antes del ADN recombinante, y la segunda, iniciada con el desarrollo de las técnicas de clonación a mediados de los 1970. En ese sentido, la biología sintética permite que la biotecnología cumpla su agenda definitiva y se convierta en un tipo más de ingeniería.

Comprender el origen de la vida

Aunque estos principios generales tienen muchas ramificaciones, la biología sintética viene sobre todo en dos sabores. Uno, como herramienta para contestar preguntas fundamentales, siguiendo la famosa afirmación póstuma del físico Richard Feymann de que “lo que no puedo crear, no lo entiendo”. Es decir, que la reconstrucción racional de un sistema es la prueba definitiva de que comprendemos su funcionamiento.

No en vano, una rama muy importante de este campo persigue construir células en el laboratorio a partir de precursores simples como una forma de entender el origen de la vida (y, de paso, revisando críticamente los experimentos de Louis Pasteur sobre la generación espontánea).

Los dos caminos para mapear la transición de la no-vida a la vida. Author provided

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Algunos plantean que la creación de vida en el laboratorio es el Proyecto Manhattan (el que condujo a la fabricación de la bomba atómica) de la biología. Aunque cuando se consiga, más temprano que tarde, el impacto en los diversos sistemas de creencias será mucho menor que el que muchos anticipan.

Tejidos con colores programados genéticamente y otras aplicaciones

Pero lo más llamativo de la biología sintética no es tanto responder a preguntas fundamentales, sino llevar a la biotecnología a niveles de eficacia sin precedentes y expandir su aprovechamiento mucho más allá de las aplicaciones tradicionales en medicina y agricultura.

Esto es posible gracias a la capacidad creciente de escribir secuencias de ADN con instrucciones nuevas que son interpretadas como software por un recipiente biológico, ahora renombrado “chasis” en la jerga del campo. Esto permite una reprogramación deliberada de los sistemas vivos no solo en su capacidad de producir compuestos de interés, sino también en su morfología física, sus movimientos y sus programas de desarrollo macroscópico.

Las posibilidades abiertas por esta capacidad de reescribir el ADN son inmensas y los campos de aplicación, ilimitados: desde los productos textiles funcionalizados (por ejemplo, sustitutos del cuero animal con colores programados genéticamente) a la bioarquitectura con tecnologías microbianas, pasando por supuesto por la medicina y la agricultura.

Un coro de voces críticas

Todas estas ideas y tecnologías han sido recibidos con entusiasmo por algunas comunidades científicas y técnicas, en especial la biotecnológica. Pero también con escepticismo, si no con hostilidad, por otras.

Parte del establishment académico, sobre todo en Europa, no se siente cómoda con que la biología sea invadida (y mucho menos explicada) por disciplinas ajenas a las tradicionales ciencias de la vida.

Otros opositores a la biología sintética (herederos del activismo contra los organismos genéticamente modificados) tienen motivaciones fundamentalmente políticas. Argumentan que este campo no es más que una nueva herramienta al servicio del neoliberalismo y de la explotación sin freno de la naturaleza en beneficio de unos pocos.

Algunos también levantan objeciones éticas sobre la desacralización de la vida que va implícita en el discurso de esa disciplina. Asimismo, llueven las críticas desde la perspectiva de los riesgos asociados a generar nuevos agentes biológicos, su seguridad y el posible uso malévolo de la tecnología.

Hay algo de todo esto en el ecosistema que se está formando alrededor del nuevo campo. Pero también es cierto que, gracias a nuestro aprendizaje del lenguaje y la lógica de lo vivo y su inmensa capacidad de resolver problemas con mecanismos evolutivos, pasemos pronto de los intentos actuales de tecnificar la biología a ver una creciente biologización de la tecnología en beneficio de la sostenibilidad.

Como toda nueva ola científico-técnica, el diablo está mucho más en los detalles de su utilización que en la cosa en sí misma.

 

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Autoría

Investigador en el Grupo Mente-Cerebro, Instituto Cultura y Sociedad (ICS), Universidad de Navarra

  Hace unos días, aparecía el siguiente titular en prensa generalista: Descubren un “vínculo literal” entre cuerpo y mente en el cerebro. Como investigador dedicado a estudiar el problema mente–cerebro, es decir, el enigma acerca de cómo nuestros procesos cerebrales se relacionan con nuestra actividad mental, quedé sobresaltado. ¡Se había descubierto la glándula pineal de Descartes! El pensador francés (1596–1650), principal exponente del dualismo, había situado en esa región cerebral el “punto de contacto” entre la mente y el cuerpo. Acudí rápidamente al artículo científico original, publicado en Nature con el siguiente título (mi propia traducción): Una red de acción somato-cognitiva se alterna con regiones efectoras en la corteza motora. El artículo propone una nueva manera de entender una región del cerebro llamada “corteza motora primaria”. Hace casi noventa años, Penfield y Boldrey establecieron que en esta fina y alargada región del cerebro se encontraban cartografiadas con precisión distintas zonas del cuerpo. Con estimulación directa de esas zonas concretas, vieron que la activación en una de ellas movía los labios, en otra la mano, en otra el pie, etcétera, configurando así el famoso “homúnculo de Penfield”. Pues bien, en el reciente artículo de Nature, Evan Gordon (Universidad de Washington en Saint Louis) y sus colaboradores informan de que, si bien es cierto que estas regiones aparecen en la corteza motora primaria, hay otras intercaladas con una función y anatomía bien diferente: están relacionadas con el control cognitivo de las acciones, y de funciones fisiológicas como la respiración, la presión sanguínea, las funciones digestivas y las funciones hormonales.  

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  El artículo es tan relevante que aparece comentado en las noticias de Nature por David Leopold, neurocientífico cognitivo. Es un magnífico resumen del trabajo de Gordon que concluye afirmando que “abre la puerta a nuevas interpretaciones acerca de cómo los circuitos motores del cerebro tienen en cuenta el cuerpo entero mientras realizamos actividades cotidianas”.

Divulgación confusa de la neurociencia

La reestructuración de la corteza motora primaria es importante, sin duda. Pero no es ni mucho menos el “vínculo literal” entre la mente y el cuerpo. Se trata de una divulgación confusa y poco afortunada de una investigación neurocientífica, que fue difundida con el mismo titular y contenido en la mayoría de medios tanto en español como en inglés. En el artículo científico, sin embargo, no se habla de la relación entre la mente y el cuerpo –o el cerebro– hasta el último apartado. En una publicación científica, estos párrafos finales suelen estar destinados a las conclusiones o a las futuras aplicaciones de la investigación. Los autores terminan su pieza hablando de la integración entre el cerebro y el resto del cuerpo. La única mención a la mente se da en la última frase, donde se afirma: “El hallazgo de que la acción y el control corporal se combinan en un circuito común podría ayudar a explicar por qué los estados mentales y corporales interactúan a menudo”. Como neurocientífico y filósofo, quedo sorprendido al encontrar ese melón abierto en la última frase, sin que aparezca sustentado en la investigación ni justificado en frases posteriores.

Transmitir la investigación neurocientífica es una responsabilidad

La empresa común de acercar la investigación neurocientífica a la sociedad es apasionante y, a la vez, una responsabilidad. Por ello, uno de los objetivos del Centro Internacional de Neurociencia y Ética (CINET), de la Fundación Tatiana, es promover una divulgación más realista de la neurociencia, teniendo en cuenta a todos los actores implicados. La realidad es que todos debemos colaborar para conseguir la excelencia en la divulgación neurocientífica: medios, agencias, instituciones y científicos. Titulares aparecidos recientemente en prensa como El revolucionario tratamiento con algas con el que le restauraron parte de la visión a un hombre ciego o Los recuerdos se pueden borrar selectivamente llevan al lector lego a hacerse una idea equivocada del alcance real de la neurociencia, de cómo funciona el cerebro en general y de su integración en el conjunto de la persona. Así es como nacen los terribles neuromitos. Una investigación en neurociencia puede ser neutra, pero, si uno no tiene cuidado, el modo de hablar de ella en lenguaje coloquial puede dar una idea del ser humano desajustada de la propia realidad biológica. Encontrar maneras creativas y rigurosas de hacerlo contribuirá a orientar a los ciudadanos, a dar prestigio a la ciencia y a generar confianza hacia los científicos y divulgadores.  

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Autoría

C

Grupo de Investigación en Gestión y Entrenamiento Deportivo, Universidad de Alcalá

Profesor Ayudante Doctor. Educación física y deportiva - Fisiología del ejercicio, Universidad de Alcalá

Beca de Iniciación en la Actividad Investigadora, Universidad de Alcalá

  Todos estamos de acuerdo en que si un deportista alcanza o no el máximo nivel depende, en gran medida, de su preparación física y su alimentación. Sin embargo, somos poco conscientes de la relación directa entre el rendimiento deportivo y el sueño. Las horas de descanso y la calidad del sueño lo convierten en un elemento esencial que, si se altera, puede afectar a la salud mental y física, al aprendizaje, al desarrollo de nuevas habilidades motorasa la toma de decisiones y a la probabilidad de ganar peso. Un sueño insuficiente en tiempo o calidad reduce el rendimiento físico de cualquier persona, especialmente en aquellos deportes en los que se requiere un tiempo de reacción rápido o producen una fatiga importante a lo largo del tiempo. A esto se le suma que, si no se descansan las horas mínimas de sueño, se altera el rendimiento cognitivo.

Los deportistas pasan más horas en la cama, pero tardan más en conciliar el sueño

Aunque cada persona necesita un periodo de tiempo diferente para sentirse descansado, existen ciertas recomendaciones acerca del tiempo de sueño total óptimo según franjas de edades. Para los adultos jóvenes (entre 18 y 25 años) y los adultos de edad media (26 a 64 años) se recomienda dormir entre 7 y 9 horas. En el caso de los adultos mayores (a partir de 65 años) es algo menor, entre 7 y 8 horas. Y para los deportistas se recomiendan de 9 a 10 horas de sueño. No estamos demasiado lejos de cumplir estas recomendaciones. En población sana, la duración media del sueño autorreportada es de 6 horas y 48 minutos entre semana y 7 horas y 24 minutos en fines de semana. En atletas de élite de diferentes modalidades estos valores son algo superiores: 8 horas y 36 minutos durante periodos de entrenamiento (no competitivos).  

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  Sin embargo, aunque los atletas pasan más tiempo en la cama que el resto de la población, el tiempo total de sueño es similar porque los atletas tardan en quedarse dormidos (18 minutos frente 5 minutos). Además, la calidad o eficiencia de su sueño es peor, algo nefasto teniendo en cuenta las demandas físicas y cognitivas a las que están sometidos. Cuando tiene lugar una competición, la cosa empeora. Por un lado, porque al aumentar la preocupación y el nerviosismo duermen peor. Pero es que, además, cuando el deportista tiene que desplazarse a otra ciudad para competir aparecen dificultades añadidas como un entorno inusual o un aumento de ruido nocturno. Todo esto lleva a que los atletas experimenten problemas para quedarse dormidos y una peor calidad del sueño, además de despertarse más a menudo por la noche o madrugar más de lo necesario. Por todo ello, cada vez son más los deportistas que identifican el déficit de sueño como su principal causa de cansancio y bajada de rendimiento. Para compensarlo, sería útil promover entre la población de deportistas unos hábitos saludables que engloben, al menos, no irse a la cama tarde, evitar el consumo de alcohol y de estimulantes como la cafeína y abstenerse de utilizar dispositivos electrónicos antes de acostarse.

Treinta minutos de siesta ayudan, mejor si son noventa

Si unos correctos hábitos de sueño son insuficientes, la siesta puede convertirse en un gran aliado para contrarrestar la falta de sueño nocturno. En situaciones extremas de privación de sueño, en las que los deportistas descansan únicamente cuatro horas, se ha observado que 30 minutos de siesta no solo reduce la somnolencia y aumenta estado de alerta, sino que mejora el rendimiento de esprint. Incluso con solo 20 minutos de siesta se han observado mejoras en la recuperación de esfuerzos y en el rendimiento cognitivo, algo especialmente importante cuando se está aprendiendo una habilidad o se trabaja la estrategia de un deporte. Los efectos beneficiosos de la siesta parecen ser superiores si dura 90 minutos. En definitiva, si un deportista desea progresar en su entrenamiento y aumentar su rendimiento, debería adoptar unos buenos hábitos de sueño estableciendo una rutina antes de irse a dormir, realizando siempre las mismas actividades previas y en el mismo horario. Además, debe mantener su zona de descanso ventilada, tranquila y con oscuridad suficiente; evitar entrenar, competir o ingerir alimentos las dos o tres horas antes de irse a la camalimitar el consumo de alcohol o estimulantes como la cafeína o el té y no emplear dispositivos electrónicos en la hora previa a descansar. Si aun así los entrenamientos o la competición alteran su sueño, no hay nada mejor que programar una siesta de 20-90 minutos durante el día. Esa siesta puede prevenir lesiones o incluso resultar determinante para ganar una competición o partido.  

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Autoría

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  Hace unos días, aparecía el siguiente titular en prensa generalista: Descubren un “vínculo literal” entre cuerpo y mente en el cerebro. Como investigador dedicado a estudiar el problema mente–cerebro, es decir, el enigma acerca de cómo nuestros procesos cerebrales se relacionan con nuestra actividad mental, quedé sobresaltado. ¡Se había descubierto la glándula pineal de Descartes! El pensador francés (1596–1650), principal exponente del dualismo, había situado en esa región cerebral el “punto de contacto” entre la mente y el cuerpo. Acudí rápidamente al artículo científico original, publicado en Nature con el siguiente título (mi propia traducción): Una red de acción somato-cognitiva se alterna con regiones efectoras en la corteza motora. El artículo propone una nueva manera de entender una región del cerebro llamada “corteza motora primaria”. Hace casi noventa años, Penfield y Boldrey establecieron que en esta fina y alargada región del cerebro se encontraban cartografiadas con precisión distintas zonas del cuerpo. Con estimulación directa de esas zonas concretas, vieron que la activación en una de ellas movía los labios, en otra la mano, en otra el pie, etcétera, configurando así el famoso “homúnculo de Penfield”. Pues bien, en el reciente artículo de Nature, Evan Gordon (Universidad de Washington en Saint Louis) y sus colaboradores informan de que, si bien es cierto que estas regiones aparecen en la corteza motora primaria, hay otras intercaladas con una función y anatomía bien diferente: están relacionadas con el control cognitivo de las acciones, y de funciones fisiológicas como la respiración, la presión sanguínea, las funciones digestivas y las funciones hormonales.  

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Divulgación confusa de la neurociencia

La reestructuración de la corteza motora primaria es importante, sin duda. Pero no es ni mucho menos el “vínculo literal” entre la mente y el cuerpo. Se trata de una divulgación confusa y poco afortunada de una investigación neurocientífica, que fue difundida con el mismo titular y contenido en la mayoría de medios tanto en español como en inglés. En el artículo científico, sin embargo, no se habla de la relación entre la mente y el cuerpo –o el cerebro– hasta el último apartado. En una publicación científica, estos párrafos finales suelen estar destinados a las conclusiones o a las futuras aplicaciones de la investigación. Los autores terminan su pieza hablando de la integración entre el cerebro y el resto del cuerpo. La única mención a la mente se da en la última frase, donde se afirma: “El hallazgo de que la acción y el control corporal se combinan en un circuito común podría ayudar a explicar por qué los estados mentales y corporales interactúan a menudo”. Como neurocientífico y filósofo, quedo sorprendido al encontrar ese melón abierto en la última frase, sin que aparezca sustentado en la investigación ni justificado en frases posteriores.

Transmitir la investigación neurocientífica es una responsabilidad

La empresa común de acercar la investigación neurocientífica a la sociedad es apasionante y, a la vez, una responsabilidad. Por ello, uno de los objetivos del Centro Internacional de Neurociencia y Ética (CINET), de la Fundación Tatiana, es promover una divulgación más realista de la neurociencia, teniendo en cuenta a todos los actores implicados. La realidad es que todos debemos colaborar para conseguir la excelencia en la divulgación neurocientífica: medios, agencias, instituciones y científicos. Titulares aparecidos recientemente en prensa como El revolucionario tratamiento con algas con el que le restauraron parte de la visión a un hombre ciego o Los recuerdos se pueden borrar selectivamente llevan al lector lego a hacerse una idea equivocada del alcance real de la neurociencia, de cómo funciona el cerebro en general y de su integración en el conjunto de la persona. Así es como nacen los terribles neuromitos. Una investigación en neurociencia puede ser neutra, pero, si uno no tiene cuidado, el modo de hablar de ella en lenguaje coloquial puede dar una idea del ser humano desajustada de la propia realidad biológica. Encontrar maneras creativas y rigurosas de hacerlo contribuirá a orientar a los ciudadanos, a dar prestigio a la ciencia y a generar confianza hacia los científicos y divulgadores.  

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