Cómo los biólogos están creando células sintéticas

Construidas mediante la estrategia “Bottom up”, las células sintéticas y otras creaciones comienzan a unirse y pronto podrían poner a prueba los límites de la vida.

Había solo ocho ingredientes: dos proteínas, tres agentes amortiguadores, dos tipos de moléculas de grasa y algo de energía química. Pero eso fue suficiente para crear una flotilla de burbujas rebotantes y pulsantes: estructuras de tipo celular rudimentarias con parte de la maquinaria necesaria para dividirse por sí mismas.

Para la biofísica Petra Schwille, las creaciones danzantes en su laboratorio representan un paso importante hacia la construcción de una célula sintética de abajo hacia arriba, algo en lo que ha estado trabajando durante los últimos diez años, más recientemente en el Instituto de Bioquímica Max Planck en Martinsried, Alemania.

“Siempre me ha fascinado esta pregunta: ‘¿Qué distingue la vida de la materia no viva?’ El desafío, según Schwille, es determinar qué componentes se necesitan para hacer un sistema vivo. En su perfecta célula sintética, conocería cada factor que la hace funcionar.

Los investigadores han estado tratando de crear células artificiales durante más de 20 años, juntando biomoléculas en el contexto adecuado para aproximarse a diferentes aspectos de la vida. Aunque existen muchos de estos aspectos, generalmente se dividen en tres categorías: compartimentación o separación de biomoléculas en el espacio; el metabolismo, la bioquímica que sustenta la vida; y control informativo, el almacenamiento y manejo de instrucciones celulares.

El ritmo de trabajo se ha acelerado, gracias en parte a los recientes avances en las tecnologías de microfluidos, que permiten a los científicos coordinar los movimientos de componentes celulares minúsculos. Los grupos de investigación ya han determinado formas de esculpir gotas de células en las formas deseadas; de crear versiones rudimentarias del metabolismo celular; y del trasplante de genomas hechos a mano a células vivas. Pero reunir todos estos elementos sigue siendo un desafío.

El campo, sin embargo, está impregnado de un nuevo sentido de optimismo sobre la búsqueda. En septiembre de 2017, investigadores de 17 laboratorios en los Países Bajos formaron el grupo Construyendo una célula sintética (BaSyC), cuyo objetivo es construir un “sistema de células que crezca y se divida” en los próximos diez años, según la biofísica Marileen Dogterom, quien dirige BaSyC y un laboratorio en la Universidad Tecnológica de Delft. El proyecto cuenta con una subvención holandesa de gravitación de 18,8 millones de euros (US $ 21,3 millones).

En septiembre, la Fundación Nacional de Ciencia de los Estados Unidos (NSF) anunció su primer programa sobre células sintéticas, financiado por una suma de 10 millones de dólares. Y varios investigadores europeos, incluyendo a Schwille, han propuesto construir una célula sintética como uno de los esquemas emblemáticos de las Tecnologías Futuras y Emergentes de la Comisión Europea, que reciben fondos de 1.000 millones de euros.

 

Los biólogos sintéticos “Bottom up” predicen que las primeras células totalmente artificiales podrían cobrar vida en poco más de una década. “Estoy bastante seguro de que llegaremos allí”, dice Schwille.

Todo en el embalaje

Los grupos de investigación han logrado grandes avances al recrear varios aspectos de la vida de tipo celular, especialmente al imitar las membranas que rodean a las células y compartimentan los componentes internos. Eso es porque la organización de las moléculas es clave para lograr que trabajen juntas en el momento y lugar correctos. Aunque uno puede abrir mil millones de bacterias y verter el contenido en un tubo de ensayo, por ejemplo, los procesos biológicos no continuarán por mucho tiempo. Algunos componentes deben mantenerse separados y otros reunidos.

“Para mí, se trata de la sociología de las moléculas”, dice Cees Dekker, un biofísico también de la Universidad Tecnológica de Delft.

En su mayor parte, esto significa organizar biomoléculas en o dentro de las membranas lipídicas. Schwille y su equipo son expertos en el manejo de membranas. Hace una década, el equipo comenzó a agregar proteínas Min, que dirigen la maquinaria de división de las células bacterianas, a láminas de membrana artificial hechas de lípidos. Los Mins, hallaron los investigadores, se colocaban dentro y fuera de las membranas y las hacían ondear y agitar. Pero cuando agregaron los Mins a esferas 3D de lípidos, las estructuras explotan como burbujas de jabón, dice Schwille. Su grupo y otros han superado este problema mediante el uso de técnicas microfluídicas para construir recipientes de membrana del tamaño de una célula, o liposomas, que pueden tolerar múltiples inserciones de proteínas, ya sea en las propias membranas o en el interior.

Un ex alumno de Schwille, Thomas Litschel, y sus colaboradores disolvieron las proteínas Min en agua y liberaron gotas de la mezcla en un tubo de ensayo que giraba rápidamente. La fuerza centrífuga atrae las gotas a través de capas de lípidos densos que las encapsulan en el camino. Aparecen en el otro extremo como liposomas que miden de 10 a 20 micrómetros de largo, aproximadamente del tamaño de una célula animal o vegetal promedio. Estos liposomas, conocidos como vesículas unilamelares gigantes (GUV), se pueden hacer de diferentes maneras, pero en las manos de Litschel, las proteínas Min causaron que las GUV pulsaran, danzaran y se contrajeran en el medio2.

El grupo de Schwille quiere capitalizar su conocimiento de estas proteínas, que pueden producir patrones de membrana y auto-organizarse. “Entendemos estas moléculas realmente bien”, dice. “Nos gustaría ver qué tan lejos podemos llegar con elementos relativamente simples como los Mins”. Tal vez, como sugiere el trabajo de Litschel, el equipo podría usar las proteínas para moldear membranas para la división o para reunir componentes en un extremo de una célula sintética.

Los miembros del equipo de Dekker también llenaron los liposomas con sus proteínas favoritas utilizando un chip microfluídico. En el chip, dos canales que contienen moléculas de lípidos convergen en un canal lleno de agua y escupen liposomas del tamaño de una célula que pueden contener varias moléculas biológicas, ya sea atrapadas a través de la membrana o flotando libremente dentro del contenedor3.

Su grupo ha experimentado con la presurización, deformación y remodelación de los liposomas para tomar formas no esféricas que imitan mejor a las células. Los dispositivos microfluídicos brindan a los investigadores más control para mover, clasificar y manipular los liposomas utilizando microcanales que operan casi como circuitos. Este año, el laboratorio Dekker diseñó un chip que podría dividir mecánicamente un liposoma en dos al empujarlo contra un punto afilado4.

“Esto, por supuesto, no es lo que buscamos, queremos demostrar división desde dentro, pero aún así nos proporciona información interesante”, dice Dekker. Los ejemplos incluyen la fuerza necesaria para dividir una célula y los tipos de manipulación física que pueden tolerar los liposomas. En la misma línea, su equipo también ha jugado un poco con la forma de células vivas de Escherichia coli, haciéndolas más anchas o cuadradas al cultivarlas en cámaras de silicona nanofabricadas. De esta manera, los miembros del equipo pueden ver cómo la forma celular afecta la maquinaria de división y evaluar cómo funcionan las proteínas Min en células de diferente tamaño y forma5.

Añadiendo energía al sistema

Ahora que es posible agregar componentes a las burbujas del liposoma sin estallarlas, los grupos pueden planificar cómo hacer que las moléculas trabajen juntas. Casi cualquier cosa parecida a la vida requiere energía celular, generalmente en forma de ATP. Y aunque esto se puede agregar desde el exterior para alimentar un sistema sintético, muchos biólogos que trabajan en enfoques de abajo hacia arriba argumentan que una verdadera célula sintética debe tener su propia planta de energía, algo similar a la mitocondria de una célula animal o al cloroplasto de una planta, que hacen ATP.

El grupo de Joachim Spatz en el Instituto Max Planck para la Investigación Médica en Heidelberg, Alemania, ha construido una mitocondria rudimentaria que puede crear ATP dentro de una vesícula.

Para ello, su equipo aprovechó las nuevas técnicas de microfluidos. Primero, estabilizaron los GUV colocándolos dentro de gotitas de agua en aceite rodeadas por una cubierta viscosa de polímeros. Luego, a medida que estos GUV estabilizados por gotas fluían por un microcanal, el equipo inyectó grandes proteínas en ellos, ya sea dentro de la vesícula o incrustados en la superficie de la membrana.

Cargaron estas membranas con una enzima llamada ATP sintasa, que actúa como una especie de rueda hidráulica molecular, creando energía ATP a partir de moléculas precursoras a medida que los protones fluyen a través de la membrana. Agregando ácido para aumentar los protones fuera de los GUV, el equipo condujo la producción de ATP en el interior6.

Spatz explica que los investigadores podrían hacer un ciclo de los GUV alrededor del microcanal nuevamente para otra inyección de proteína, para agregar componentes de manera secuencial. Por ejemplo, el siguiente paso podría ser agregar un componente que configurará automáticamente el gradiente de protones para el sistema. “Ese es un módulo importante, como el que tiene en la vida real”, dice Spatz.

El grupo de biología sintética de Max Planck liderado por el bioquímico Tobias Erb está particularmente interesado en las vías que permiten que los microbios fotosintéticos extraigan el dióxido de carbono del ambiente y produzcan azúcares y otros componentes celulares.

Su grupo esbozó un diseño de sistema que podría convertir el CO2 en malato, un metabolito clave producido durante la fotosíntesis. El equipo predijo que la vía sería incluso más eficiente que la fotosíntesis. A continuación, Erb y su equipo buscaron en las bases de datos enzimas que pudieran realizar cada una de las reacciones. Para algunas, necesitaban ajustar las enzimas existentes a las de diseño. Al final, encontraron 17 enzimas de 9 organismos diferentes, entre ellos E. coli, un archaeon, la planta Arabidopsis y los humanas. La reacción fue ineficiente y lenta7.

“Reunimos un equipo de enzimas que no jugaban bien juntas”, dice Erb. Sin embargo, después de un poco más de ingeniería enzimática, el equipo tiene una “versión 5.4″ que, según Erb, opera con un 20% más de eficiencia que la fotosíntesis.

Ampliando este trabajo, el grupo de Erb comenzó a construir una versión cruda de un cloroplasto sintético. Al moler las espinacas en una licuadora y agregar su maquinaria de fotosíntesis a su sistema enzimático en el tubo de ensayo, los biólogos pueden impulsar la producción de ATP y la conversión de CO2 en malato, únicamente al iluminar con luz ultravioleta.

Aunque todo puede funcionar por un breve tiempo en un tubo de ensayo, dice Erb, “al final, nos gustaría compartimentarlo, como un cloroplasto”. Está entusiasmado de colaborar con biólogos sintéticos como Kate Adamala, que puede construir y controlar compartimentos complejos.

El grupo de Adamala en la Universidad de Minnesota en Minneapolis está trabajando en formas de construir biorreactores programables, introduciendo circuitos genéticos simples en los liposomas y fusionándolos para crear biorreactores más complejos. Ella los llama “burbujas de jabón que hacen proteínas”.

Su grupo construye estos biorreactores utilizando un sistema de tubo giratorio similar al de Schwille, pero que produce liposomas más pequeños. Los investigadores agregan círculos de ADN llamados plásmidos que han diseñado para realizar una función particular, junto con toda la maquinaria necesaria para fabricar proteínas a partir del ADN.

 

Por ejemplo, su grupo ha fabricado biorreactores liposómicos que pueden detectar un antibiótico en su entorno a través de los poros de la membrana y pueden generar una señal bioluminiscente en respuesta8.

Mediante la fusión secuencial de biorreactores simples, el equipo puede construir circuitos genéticos más complejos. Pero los sistemas comienzan a descomponerse a medida que se expanden para incluir diez o más componentes. Este es un gran desafío para el campo, dice Adamala. En una célula real, las proteínas que pueden interferir con las acciones de los demás se mantienen separadas por una variedad de mecanismos. Para células sintéticas mucho más simples, los biólogos deben encontrar otras formas de imponer ese control. Esto podría ser a través de un control de acceso externo, en el que el investigador decide qué liposomas se mezclan y cuándo. También podría lograrse a través de etiquetas químicas que regulan qué liposomas pueden fusionarse entre sí, o mediante un sistema de liberación prolongada.

Inyecciones informativas

Otra clave para hacer una célula es conseguir el software correcto. Permitir que una célula sintética siga las instrucciones de los científicos y se replique a sí misma requerirá alguna forma de almacenar y recuperar información. Para los sistemas vivos, esto lo hacen los genes, desde cientos para algunos microbios hasta decenas de miles para los humanos.

Cuántos genes necesitará una célula sintética para ejecutarse es una cuestión de debate. Schwille y otros consideran que unas pocas docenas. Otros, como Adamala, piensan que las células sintéticas necesitan entre 200 y 300 genes.

Algunos han optado por empezar con algo vivo. El biólogo sintético John Glass y sus colegas del Instituto J. Craig Venter (JCVI) en La Jolla, California, tomaron uno de los genomas microbianos más pequeños conocidos del planeta, el de la bacteria Mycoplasma mycoides, e interrumpieron sistemáticamente sus genes para identificarlos. Los esenciales. Una vez que tuvieron esa información, unieron genéticamente un genoma mínimo en el laboratorio.

Este genoma sintetizado contenía 473 genes, aproximadamente la mitad de lo que estaba en el organismo original, y se trasplantó a una especie bacteriana relacionada, Mycoplasma capricolum9. En 2016, el equipo demostró que este genoma sintético mínimo podría “arrancar” un organismo de vida libre, aunque de crecimiento lento10. Glass cree que será difícil reducir ese número mucho más: si se elimina cualquier gen, se matará las células o ralentizará su crecimiento a casi cero, dice.

Él y sus colegas de JCVI están compilando una lista de “tareas celulares” basadas en la última versión de su creación, JCVI-syn3.0a, que podría actuar como un plano de la lista de tareas mínima de una célula. Pero para aproximadamente 100 de estos genes, no pueden identificar lo que hacen que los hace esenciales.

Como paso siguiente, y respaldado por una subvención NSF de casi $ 1 millón, Glass y Adamala intentarán instalar el genoma JCVI-syn3.0a en un liposoma sintético que contenga la maquinaria necesaria para convertir el ADN en proteína, para ver si puede sobrevivir. En ese caso, tanto el software como el hardware de la célula serían sintéticos desde el principio.

Si pudiera crecer y dividirse, sería un paso tremendo. Pero muchos argumentan que para representar verdaderamente un sistema vivo, también tendría que evolucionar y adaptarse a su entorno. Este es el objetivo con los resultados más impredecibles y también los mayores desafíos, dice Schwille. “Para que una célula viva, necesita desarrollar una nueva funcionalidad”.

El equipo de Glass en el JCVI ha estado realizando experimentos adaptativos de evolución de laboratorio con JCVI-syn3.0a, seleccionando organismos que crecen más rápido en un caldo rico en nutrientes. Hasta ahora, después de unas 400 divisiones, él y su equipo han obtenido células que crecen aproximadamente un 15% más rápido que el organismo original. Y han visto surgir cambios en la secuencia de genes. Pero todavía no hay evidencia de que el microbio haya desarrollado nuevas funciones celulares o haya aumentado su forma física.

Erb dice que trabajar para agregar evolución a las células sintéticas es la única forma de hacerlas interesantes. Ese desorden en los sistemas biológicos es lo que les permite mejorar su rendimiento. “Como ingenieros, no podemos construir una célula sintética perfecta. Tenemos que construir un sistema de autocorrección que mejore a medida que avanza”, dice.

Las células sintéticas podrían llevar a comprender cómo se ve la vida en otros planetas. Y los biorreactores sintéticos bajo el control completo de un investigador podrían ofrecer nuevas soluciones para tratar el cáncer o combatir la resistencia a los antibióticos. Liberar un organismo de este tipo en el cuerpo humano o en el medio ambiente sería arriesgado, pero un organismo diseñado de arriba hacia abajo con comportamientos desconocidos e impredecibles podría ser incluso más riesgoso.

Dogterom dice que las células vivas sintéticas también plantean otras cuestiones filosóficas y éticas: “¿Será esto una vida? ¿Será autónomo? ¿Lo controlaremos? “Estas conversaciones deberían tener lugar entre los científicos y el público. Le preocupa menos la posibilidad de que las células sintéticas pudieran volverse locas. “Estoy convencida de que nuestra primera célula sintética será una pésima imitadora de lo que ya existe”. Y como ingenieros de la vida sintética, ella y sus colegas pueden incorporar controles o un interruptor de desactivación que hace que las células sean inofensivas.

Ella y otros biólogos sintéticos seguirán avanzando explorando las fronteras de la vida.

Fuente: Nature 563, 172-175 (2018)

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