Cuando el físico Richard Feynman murió en 1988, dejó una nota en su pizarra que decía: “Lo que no puedo crear, no lo entiendo”. Feynman puede haber estado reflexionando sobre la naturaleza de la comprensión científica, pero el sentimiento también refleja el espíritu de la biología sintética. Ese campo científico se trata de deconstruir y manipular con precisión los procesos biológicos para probar nuestra comprensión de ellos.
“A todos en biología sintética les encanta esa cita”, dijo Patricio Shih, un biólogo de plantas sintéticas de la Universidad de California, Berkeley. “Es más o menos el principio central”.
El nuevo trabajo en plantas marca un avance importante hacia la realización de los objetivos más ambiciosos de la biología sintética. A estudio publicado el mes pasado in Ciencia: creó una especie de circuito genético en las raíces de las plantas, programando de hecho cómo crecen. Investigadores de la Universidad de Stanford, dirigidos por jennifer brophy, un bioingeniero, y jose dinneny, un biólogo de sistemas de plantas, desarrolló un conjunto de herramientas genéticas para controlar si los sistemas de raíces de dos especies de plantas crecían más lateralmente u horizontalmente y cuánto se ramificaban las raíces. Su trabajo confirma los modelos genéticos del crecimiento de las plantas y muestra por primera vez que es posible programar patrones funcionales de actividad genética a lo largo del tiempo en tejidos específicos de organismos complejos.
El nuevo conjunto de herramientas genéticas debería ser muy útil para otros biólogos sintéticos en sus propios experimentos futuros. Sin embargo, los resultados de los experimentos de los investigadores no fueron tan sencillos como Brophy y sus colegas esperaban, mostrando los desafíos de aplicar puertas lógicas digitales a sistemas vivos desordenados.
Reconectando el crecimiento de la raíz
Aunque los biólogos sintéticos han estado insertando sistemas de control genético en bacterias y células complejas cultivadas durante aproximadamente dos décadas, los problemas técnicos han hecho que les resulte mucho más difícil hacerlo con organismos multicelulares complejos como las plantas. Entonces, para construir su circuito biológico, Brophy, Dinneny y sus compañeros de trabajo ensamblaron y refinaron un conjunto de herramientas moleculares, incluidas piezas de virus modificados y bacterias que causan tumores en las plantas. Los biólogos sintéticos a menudo crean las técnicas y los elementos genéticos que necesitan como elementos únicos para organismos y experimentos específicos, pero el equipo de Stanford estaba más interesado en ensamblar un conjunto de herramientas de propósito general que se puede adaptar para diferentes organismos según sea necesario.
Con este conjunto de herramientas personalizable, los investigadores adaptaron los circuitos genéticos a sus organismos específicos. En este caso, utilizaron dos organismos modelo populares: Arabidopsis thaliana, un pariente de las plantas de mostaza, y Nicotiana benthamiana, primo del tabaco.
Los investigadores crearon elementos promotores sintéticos que, como interruptores de encendido/apagado, se unirían a varios genes específicos involucrados en el crecimiento de las raíces y los activarían. Luego vincularon estos elementos de control entre sí como puertas lógicas booleanas en un circuito programable. Los controles permitieron a los investigadores reclutar las propias proteínas de la planta para impulsar, o inhibir, el crecimiento de las raíces.
Hicieron que las plantas expresaran una amplia gama de variaciones de raíz programadas, desde una telaraña en expansión de pelos de raíz hasta una sola raíz primaria larga. Su objetivo era demostrar un control flexible, en lugar de producir un resultado deseado específico. “Es una prueba de concepto”, dijo olivier martin, investigador del Instituto Nacional de Investigación para la Agricultura, la Alimentación y el Medio Ambiente de Francia que no participó en la nueva investigación.
El control sobre el crecimiento de los sistemas de raíces podría ser revolucionario para la agricultura, especialmente en las regiones afectadas por la sequía, donde la vida puede volverse más terrible con el cambio climático en curso. Los cultivos podrían programarse para desarrollar sistemas de raíces superficiales para absorber rápidamente lluvias fuertes pero poco frecuentes, o para enviar sus raíces directamente hacia abajo y mantenerlas juntas para evitar invadir el espacio de un vecino.
Las aplicaciones no se limitan a la agricultura. Las plantas son “los químicos de la naturaleza”, dijo Martin. “Producen una increíble diversidad de compuestos”. Aprovechar esa capacidad a través de la biología sintética podría permitir a los investigadores producir nuevos productos farmacéuticos a gran escala.
Luchando contra la inconsistencia
Pero los frutos de la biología vegetal sintética aún no están listos para llegar al mercado de agricultores oa los estantes de las farmacias. Aunque la mayoría de las plantas en los experimentos de Stanford se comportaron de acuerdo con su programación, la expresión de sus genes no fue tan blanca o negra como esperaban los investigadores. “Incluso llamarlo booleano o digital es difícil porque los estados 'apagados' no están completamente apagados y los estados 'encendidos' son relativos”, dijo Brophy.
En las raíces, un estado "apagado" fue indicado por una capa de raíz completa, una capa de células en la punta de un zarcillo de raíz que evita un mayor crecimiento. Los estados "encendidos" se definieron simplemente por la presencia de una raíz o raicilla. Pero los investigadores observaron que algunas raíces en el estado "apagado" solo desarrollaron un capuchón de raíz parcial, lo suficiente como para detener el crecimiento después de cierto punto, pero no lo suficiente como para evitarlo por completo. Estas expresiones aberrantes surgieron con mayor frecuencia cuando el equipo aplicó una puerta lógica desarrollada para el Nicotiana a una Arabidopsis planta; tendían a desaparecer después de que se modificaba el conjunto de herramientas para Arabidopsis genes
Si bien este tipo de expresión parcial se suma a los desafíos que enfrenta la biología sintética, Shih dijo que también podría tener ventajas: puede hacer que las plantas sean sujetos más fáciles para pruebas experimentales que los animales, ya que la expresión génica parcial en animales a menudo es menos obvia (y más fatal) .
Devang Mehta, un biólogo de sistemas de la Universidad de Alberta en Canadá que no participó en el estudio, llama a la investigación de Brophy y Dinneny un "gran paso adelante" en la biología sintética de organismos. Sin embargo, advierte que no debemos subestimar lo desafiante que será el próximo paso.
“Cosas como la lógica booleana en particular son muy útiles en entornos cerrados, donde realmente puedes controlar las variables ambientales”, dijo Mehta. "Esto es mucho más difícil de hacer en un entorno natural".
Eso se debe a que las plantas y otros seres vivos responden en gran medida a su entorno de una manera que no lo hacen las computadoras, lo que complica el desafío de programarlos con circuitos genéticos confiables. Brophy los contrasta con una calculadora, para la cual 2 más 2 es igual a 4 cada vez. “Sería problemático si 2 más 2 fueran 3 cuando hacía frío y 5 cuando hacía demasiado brillo”, dijo. Para implementar un circuito de genes booleanos en cultivos como el maíz o el trigo que crecen en un campo, los biólogos sintéticos deben idear una forma de controlar el clima o, de manera más realista, evitar que las plantas respondan con tanta fuerza al calor, al frío y a la lluvia.
“Esa es una limitación importante sobre la que el campo debe ser muy franco”, dijo Shih. Ve el trabajo de Brophy y Dinneny como una hoja de ruta preliminar para abordar este desafío. "Ahora podemos ver qué [herramientas] funcionan y cuáles no".
Nota del editor: como becaria de la facultad de HHMI-Simons, Dinneny ha recibido financiamiento de la Fundación Simons, que también apoya ¿Cuánto, esta revista editorialmente independiente de periodismo científico.
