UC SAN DIEGO¿Se imagina usted lector, si con base en una secuencia completa de su genoma lograse sintetizar su propio ADN, introducirlo en una célula humana y después hacer que su ADN asumiese el mando de esa célula, formando tejidos, órganos y hasta una copia idéntica a usted mismo, a la cual usted podría transferir sus memorias?
Al igual que en la novela de ciencia ficción de Phillip K. Dick, que originó el guión de la película Blade Runner, parece que al menos un importante experimento de ese concepto se hizo realidad. El J. Craig Venter Institute (JCVI) publicó el 20 de mayo pasado en el sitio de la revista Science un artículo en donde informa acerca de la activación de un genoma sintético de un microorganismo en otro, la bacteria Mycoplasma mycoides. La medida del éxito en este caso fue el hecho de que el genoma sintético tomó el control de otra célula, y esa célula pasó a reproducirse en laboratorio.
Fundador del JCVI, el científico Craig Venter, en varias entrevistas, dice que ahora va en busca del genoma de un alga para producir bioenergía. Yo lo escuché decir algo similar en una conferencia, en el marco del último Congreso Mundial de Biotecnología en Barcelona, en 2009. Uno de los grandes retos que tenemos actualmente es producir bioenergía de manera barata y ambientalmente sostenible. El descubrimiento del JCVI abre el camino para que investigadores obtengan microorganismos “ingenierados”, que hagan el trabajo de producción de etanol o biodiesel con excelentes estándares.
Acá en Brasil, en el Laboratorio Nacional de Ciencia y Tecnología del Bioetanol (CTBE), en Campinas, estamos “ingenierando” bacterias y hongos con enzimas que atacan la pared celular vegetal y pueden ayudar en el desarrollo de la ruta tecnológica de la segunda generación de etanol. Uno de los laboratorios del Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología del Bioetanol (el INCT de Bioetanol), liderado por el investigador Richard Ward, informó en el marco del último workshop de INCT, en abril pasado, sobre ensayos con una enzima quimérica, es decir, una proteína montada artificialmente, que tiene la capacidad de atacar a dos componentes de la pared celular al mismo tiempo: la lignina y la hemicelulosa.
Así, aun cuando no hayamos hecho (por ahora) nada tan espectacular como Venter, la bioenergía brasileña comienza a inmergirse en la era de la biología sintética. Existen varias vías por optar y problemas por resolver en lo que hace al empleo de esta tecnología. Una de ellas consiste en “ingenierar” el metabolismo de la Saccharomices cerevisiae, la levadura que usamos para hacer alcohol, de manera tal que la misma sea capaz de usar los azúcares de cinco carbonos provenientes de las hemicelulosas, algo que ella no hace muy bien.
Con microorganismos, las aplicaciones de la biología sintética serán mucho más rápidas y producirían resultados impresionantes. Por otro lado, con organismos más complejos, pueden tardar mucho más. De cualquier modo, los biólogos ya se mueven en ese sentido, y lo están haciendo a través de la comprensión de los organismos como sistemas complejos.
Un gran paso, pero todavía inicial
La introducción de un genoma sintético en una célula constituye sin lugar a dudas un paso importante en el área de la biología. Si consideramos que un gen corresponde en promedio a entre 10 y 15 kbps (1 kbp equivale a mil bases de ADN), lo que el grupo del JCVI hizo fue construir un genoma con entre 600 y mil genes, transferirlo a una célula cuyo ADN había sido retirado y hacer que esa célula bacteriana receptora del genoma sintético funcionase.
Es un avance técnico sensacional, y las implicaciones del mismo son enormes. Sin embargo, la dificultad de aplicar eso en organismos más complejos es mayor todavía. Sucede que en el genoma de una planta de maíz se estima que existen 32 mil genes, es decir, es que es 32 veces mayor que el del genoma sintético que el JCVI empleó. Es probable que en nuestra caña de azúcar tengamos aproximadamente la misma cantidad de genes que en el maíz. Con todo, y a diferencia de la Mycoplama mycoides, en la caña hay ocho copias de cada gen. Esto quiere decir que existen nominalmente alrededor de 240 mil genes que interactúan en el genoma del organismo y hacen que el mismo funcione perfectamente bien, a punto tal de producir el etanol que llena nuestros tanques. Si el grado de dificultad fuese lineal con relación al tamaño del genoma, sería 400 veces más difícil hacer con la caña lo que se hizo con la bacteria M. mycoides. Pero existen dificultades adicionales que hacen que la relación sea aún más compleja y más difícil.
La bioenergía que necesitamos, en parte por contingencia de nuestra tecnología de motores, se encuentra almacenada en uniones entre átomos de carbono, y la única manera de guardar la energía de ese modo es mediante el proceso de fotosíntesis. Existen bacterias capaces de realizar fotosíntesis que generalmente se ubican como uno de los blancos de la biología sintética. Las cianobacterias, por ejemplo, son buenas productoras de lípidos, que pueden funcionar como biodiesel, lo que indica que podemos pensar en montar con ellas sistemas industriales para la producción de bioenergía.
Pero hay una reflexión biológica importante que debe tenerse en cuenta. Si las cianobacterias son efectivamente tan buenas para producir bioenergía, ¿por qué la civilización no se ha valido hasta ahora de ellas para obtener comida y energía? ¿Por qué nuestra comida se basa principalmente en plantas terrestres? Una de las respuestas a esto apunta que el aumento de complejidad que hubo con la evolución de la multicelularidad, y el desarrollo de sistemas fotosintéticos cada vez más eficientes, llevó a que las plantas dominasen el planeta. Entre éstas, las gramíneas, como el maíz y la caña de azúcar, produjeron uno de los sistemas fotosintéticos más eficientes que existen. Tienen un sistema de fotosíntesis llamado C4, con el cual producen una mayor cantidad de biomasa en menor tiempo que otras plantas. Y es por eso que la civilización tal como la conocemos se apoya fuertemente en estas especies.
Se emplea actualmente la biología sintética para alterar la fotosíntesis en plantas. La soja, por ejemplo, no tiene una fotosíntesis tan eficiente como las gramíneas. Pero un grupo internacional de investigadores ha venido delineando estrategias destinadas a “implantar”, mediante el uso de la biología sintética, un sistema C4 en las hojas de esa leguminosa. Es uno objetivo inmensamente más difícil que el que el JCVI alcanzó. Sucede que no estamos lidiando solamente con un genoma, sino que en el caso del sistema C4, son tres genomas distintos: uno que se ubica en el núcleo de la célula y otros dos que están en los dos tipos de cloroplastos hallados en las diferentes células de las hojas de las plantas C4.
Venter dio un gran paso, pero aún hay que hacer muchos estudios y aplicar mucha creatividad para que realmente podamos romper el código de la complejidad que la vida esconde. Hay un gran número de investigadores, incluso de Brasil, moviéndose en dirección al uso de la biología sintética como principal arma para desarrollar nuevas biotecnologías. Lo que viene por ahí promete ser sumamente divertido e interesante.
Marcos Buckeridge es uno de los coordinadores del programa Bioen-FAPESP y director científico del Laboratorio Nacional de Ciencia y Tecnología del Bioetanol (CTBE).
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