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Recableado de celdas
Un día de 1998, Randy Rettberg '70 fue a visitar a un viejo amigo, Tom Knight '69, SM '79, PhD '83, un científico investigador en el Laboratorio de Inteligencia Artificial del MIT. Rettberg, que había trabajado en la industria de las computadoras durante 30 años, se sorprendió al ver que Knight, un diseñador de semiconductores nerd que se describe a sí mismo y que había participado en el desarrollo de ARPAnet, había establecido un laboratorio de biología en medio del laboratorio de inteligencia artificial. luego ubicado en Tech Square.
ciencia genial Las botellas de medio de crecimiento para bacterias se almacenan en el refrigerador del laboratorio del biólogo sintético del MIT Randy Rettberg, cuyos equipos de iGEM diseñan E. coli para expresar rasgos novedosos.
Su equipo electrónico se había ido, los analizadores lógicos se habían ido, y él me mostraba botellas y me decía lo genial que era esta botella, tenía una bonita tapa que no goteaba, recuerda Rettberg. Y tenía una bonita incubadora para poder cultivar cosas y un autoclave.
Knight había hablado con Rettberg sobre la idea de aplicar los principios de la ingeniería a la biología: desarmar las células, averiguar cómo funcionan y volver a ensamblar las partes (en este caso, los genes) para hacer algo nuevo. En la década de 1990, Knight decidió dar el paso. Pasó cinco años tomando casi todos los cursos del MIT en biología molecular, absorbiendo tanta información como pudo sobre un campo en el que casi no tenía experiencia.
Rettberg, que buscaba un cambio de carrera, decidió dejar su trabajo como director técnico de una división de Sun Microsystems y unirse a Knight. Él también estaba empezando desde cero cuando se trataba de biología. Conseguí todos los libros de biología y química que pude, dice. Fui al Coop y compré una pila de unos treinta centímetros de alto. Eso es alrededor de $ 800 en libros. Leí y leí y leí hasta que no pude ir más porque no sabía cómo pronunciar las palabras. Me di cuenta de que era mejor que aprendiera la forma correcta de pronunciar las cosas o me vería realmente estúpido. Así que llegó al MIT como investigador afiliado no remunerado en el laboratorio de Knight y comenzó a tomar cursos de biología.
Vea imágenes del concurso internacional de máquinas de ingeniería genética de 2010
¿Por qué los ingenieros eléctricos dedicarían todo ese tiempo a aprender sobre el funcionamiento interno de las células? Knight y Rettberg, quien ahora es un ingeniero de investigación principal en el Departamento de Ingeniería Biológica del MIT, querían ver si la biología es lo suficientemente modular, y lo suficientemente bien comprendida, para permitir que los investigadores diseñen, construyan y prueben sistemas biológicos. ¿Podrán algún día tratar a las células como placas de circuitos vivos, dejando que los genes sustituyan a componentes eléctricos como resistencias y condensadores? Se preguntaron si finalmente podrían rediseñar células vivas ensamblando circuitos biológicos a partir de un conjunto de partes estandarizadas (genes), al igual que un ingeniero puede construir circuitos para controlar dispositivos electrónicos combinando los componentes correctos. Si es así, podrían tratar la biología como una tecnología de fabricación, programando células para producir cosas que normalmente no fabricarían, por ejemplo, medicamentos, combustibles o plásticos. Da la casualidad de que la biología está en el negocio de hacer más copias, dice Knight. Pero podemos subvertir eso. Podemos usarlo para hacer casi cualquier cosa.
Este nuevo enfoque, conocido como biología sintética, despertó inicialmente el escepticismo entre los biólogos, recuerda Ron Weiss, SM '94, PhD '01, que era un estudiante de posgrado de Knight a finales de la década de 1990. En esos primeros días, era raro encontrar un biólogo que entendiera o se preocupara por lo que estábamos haciendo, dice. La biología sintética va más allá de la ingeniería genética, que generalmente implica agregar un solo gen a una célula para que haga algo que normalmente no haría. También es diferente de la ingeniería metabólica, que utiliza las técnicas de la ingeniería genética para maximizar la producción celular de productos comercialmente útiles, como la insulina. El ensamblaje de un conjunto determinado de genes de formas novedosas permite a los biólogos sintéticos realizar tareas muy específicas y sofisticadas que no podrían lograr modificando las células de un gen a la vez, un proceso que no siempre hace posible controlar sus genes. función.
Ahora, profesor asociado de ingeniería biológica, Weiss se unió a la facultad del MIT en 2009 para lanzar una nueva iniciativa de investigación en biología sintética en el MIT: el Centro de Biología Sintética Integrativa. El centro está programado para abrir este otoño en Technology Square e incluirá a Rettberg y una docena de miembros de la facultad de departamentos de todo el MIT, incluida la ingeniería biológica, la biología, la ingeniería química y la ingeniería eléctrica y la informática. (Se espera que Knight, ahora de licencia del MIT y trabajando en Gingko Bioworks, una compañía de biología sintética que cofundó, se una cuando regrese al Instituto como científico investigador senior en ingeniería eléctrica e informática).
Uno de los pocos programas de biología sintética en el mundo, el nuevo centro tiene como objetivo hacer que la biología sintética sea lo más conveniente posible integrándola con la biología de sistemas, un enfoque computacional para descubrir las complejas interacciones biológicas que determinan el comportamiento de un sistema (por ejemplo , la respuesta de una célula a una hormona en particular). Al desentrañar estos sistemas y descubrir formas de reingenrarlos, los investigadores esperan avanzar en la investigación de biocombustibles y síntesis de moléculas biológicas, y desarrollar nuevas formas de tratar el cáncer, la diabetes y otras enfermedades.
Eliminando la complejidad
Knight trabajó con Marvin Minsky en el laboratorio de inteligencia artificial del MIT cuando era estudiante de secundaria, pasó la mayor parte de la década de 1970 como miembro del personal de investigación del MIT trabajando en importantes proyectos de hardware como la máquina Lisp (la primera estación de trabajo comercial de un solo usuario), y luego obtuvo su Doctorado en 1983, especializado en diseño de circuitos integrados. Después de pasar mucho tiempo pensando en las limitaciones de la Ley de Moore, la idea de que las velocidades de procesamiento de las computadoras deberían duplicarse aproximadamente cada dos años, encontró una fuente poco probable para tener una idea sobre dónde podrían recurrir los fabricantes de chips para superarlas. A fines de la década de 1980, leyó un artículo del físico de Yale Harold Morowitz, quien propuso estudiar un tipo de bacteria conocida como micoplasmas, identificar la función de cada uno de sus genes y proteínas y precisar cómo interactúan. Los micoplasmas se encuentran entre las bacterias más simples, con solo alrededor de 500 a 700 genes. Knight se dio cuenta de que la biología no era tan desesperadamente compleja como había imaginado; había sistemas vivos tan simples que uno podía desentrañar de manera plausible cómo funcionan sus partes y cómo funcionan juntas. Comenzó a preguntarse si podría usar esas bacterias como pequeñas fábricas, eliminando los genes que parecían innecesarios y agregando genes para los rasgos deseados, rasgos que podrían ayudarlos a producir medicamentos, biocombustibles o chips de computadora. (De hecho, los investigadores del Instituto J. Craig Venter utilizaron una versión modificada de un genoma de micoplasma para crear la primera célula sintética y ensamblar un genoma sintético completo. Ver TR10: Células sintéticas, pág. 56 . )
Cuando Knight comenzó a trabajar con bacterias, en la década de 1990, quedó claro que la mayoría de los micoplasmas son demasiado patógenos para la clasificación de seguridad de su laboratorio. Entonces se decidió por otra bacteria simple, Mesoplasma . Hizo que los investigadores del Instituto Broad lo secuenciaran por él y desde entonces descubrió que aún puede funcionar incluso después de que muchos de sus genes hayan sido eliminados. Ahora está trabajando en la refactorización del genoma, que describe como desgarrarlo en pedazos que entendemos, sacar los pedazos que no entendemos y recodificar para simplificar los pedazos que son esenciales.
Knight, siempre ingeniero, se esfuerza por hacer que su sistema sea lo más simple posible. Existe esta diferencia cultural entre la comunidad de ingenieros y la comunidad científica, que es la reacción a la complejidad, dice, contando un viejo chiste para ilustrar su punto: el biólogo va al laboratorio por la mañana, hace un experimento, descubre que un sistema que está mirando es dos veces más complicado de lo que pensaba, y dice: '¡Genial! ¡Puedo escribir un artículo! 'El ingeniero entra al laboratorio, hace el mismo experimento, obtiene el mismo resultado y dice:' Maldita sea, ¿cómo me deshago de eso? '
Deshacerse de la complejidad ayudará a los posibles diseñadores de células a darse cuenta de otra ventaja de la ingeniería eléctrica: la capacidad de diseñar, probar y construir lo más rápido posible. La eficiencia de la ingeniería a menudo está determinada por la rapidez con la que se puede dar la vuelta al ciclo [diseño-prueba-construcción], dice Knight. Si eres un ingeniero de software, ese ciclo es muy, muy rápido. Pueden ser dos minutos ... Si eres biólogo, ese ciclo, en este momento, es de una semana a un mes. Te equivocas tratando de averiguar cómo juntar estas piezas de ADN, y cuando hayas terminado, tal vez tengas una buena forma de probarlo, y tal vez no. Añade que la escasez de buenas herramientas para determinar lo que sucede en las celdas también limita la eficiencia del proceso de diseño.
Estandarización
El ritmo a veces glacial de la biología molecular tradicional desanimó a Knight cuando comenzó a intentar diseñar organismos modificados. Me di cuenta de que cada vez que quería hacer un experimento, se convertía en dos experimentos, dice. Estaba el experimento que quería hacer y había otro experimento asociado con la construcción de la pieza de ADN que necesitaba. Lo frustrante desde el punto de vista de la ingeniería era que cada vez que alguien hacía eso, lo hacía de una manera diferente. Una razón tenía que ver con las enzimas utilizadas para cortar el ADN en puntos específicos para extraer un gen deseado: los investigadores se verían impulsados por los accidentes de qué sitios de enzimas de restricción estaban presentes en las piezas de ADN natural, dice. Serían impulsados por las enzimas que tenían en el congelador, o las que su mentor les había enseñado a usar hace cinco años.
Esa frustración llevó a Knight a desarrollar el concepto de partes de BioBrick: piezas estandarizadas de ADN que pueden unirse en diferentes combinaciones e introducirse en una bacteria huésped para que realice una tarea específica. La colección de estos genes, conocida como Registro de Partes Biológicas Estándar, se basa en un catálogo de 1000 páginas llamado TTL Data Book, que enumera cientos de componentes de circuitos. Los ingenieros eléctricos que quieran construir circuitos TTL (lógica de transistor-transistor) pueden consultar el libro y seleccionar los elementos que necesitan para lograr una función en particular. Knight y Rettberg esperaban que se pudiera aplicar el mismo principio al diseño biológico. Como dijo Rettberg, ¿se pueden construir sistemas biológicos simples a partir de partes intercambiables estándar y operar en células vivas? ¿O la biología es tan complicada que cada caso es único? Ahora, dice, sabemos que a veces se puede; y no, la biología no siempre es demasiado complicada. A veces lo es, a veces te engaña algo en lo que no pensaste, pero lo mismo sucede al escribir un programa [de computadora].
Como Knight expuso el concepto en un artículo de 2003, cada BioBrick es un fragmento de ADN que incluye un gen asociado con un rasgo específico. Para hacer uno, ingresa la secuencia del gen deseado en una máquina de síntesis de ADN, que une los nucleótidos en el orden correcto. El BioBrick está cubierto en ambos extremos con secuencias de ADN que le permiten conectarse a otras partes. Luego se integra en una pieza circular de ADN llamada plásmido, que se puede insertar en una célula bacteriana. Los BioBricks están diseñados para que puedan combinarse fácilmente en circuitos más grandes o series de genes que inducen a una célula bacteriana a realizar funciones complejas como brillar cuando se expone a una determinada sustancia química. La compañía de Knight, Ginkgo Bioworks, ahora está diseñando nuevos BioBricks, automatizando el ensamblaje de ADN y persiguiendo aplicaciones como la producción de combustible.
La mejor evidencia de que este enfoque funciona, dice Rettberg, es que los equipos de estudiantes pueden usarlo con éxito para diseñar una amplia gama de proyectos en cuestión de meses para la competencia internacional de máquinas de ingeniería genética, o iGEM. El concurso, que ahora se celebra anualmente en el MIT, surgió de un curso IAP de enero de 2003 ideado por Rettberg, Knight, el profesor Gerald Sussman 68, PhD 73 y Drew Endy, ex profesor asistente del MIT ahora en Stanford.
Durante ese primer IAP, a los estudiantes se les ocurrieron diseños intrigantes, pero no terminaron de construir sus máquinas porque les llevó demasiado tiempo sintetizar el ADN. Aún así, el curso se repitió al año siguiente, y la primera competencia oficial se llevó a cabo en el verano de 2004, dibujando cinco equipos. El evento se ha expandido constantemente desde entonces: el pasado mes de noviembre, 130 equipos presentaron proyectos. Equipos de estudiantes han construido un detector de arsénico, bacterias que pueden detectar y limpiar contaminantes ambientales como el tolueno y una vacuna contra Helicobacter pylori , una bacteria que puede causar úlceras. Ninguno de estos proyectos ha avanzado hasta el punto de la viabilidad comercial, pero una empresa llamada Lumin Sensors planea probar el detector de arsénico, construido por un equipo de la Universidad de Edimburgo, para su uso en India.
Los proyectos más alegres han incluido bacterias que brillan en la oscuridad o huelen a menta. En solo unos meses, los equipos pueden construir sistemas que podrían haber llevado años utilizando técnicas tradicionales de ingeniería genética. Nadie ha podido hacer nada de esto antes, dice Rettberg. Todos los niños saben que están haciendo algo nuevo y que sus maestros, sus padres y sus hermanos mayores no tenían idea de que nadie podía hacer.
En solo siete años, los estudiantes de iGEM han contribuido con miles de partes al Registro de Partes Biológicas Estándar, que ahora tiene más de 7,000 entradas. Ese registro es uno de los varios estándares de biología sintética que existen, pero Knight dice que es más importante seguir los estándares que tratar de hacer que todos usen el mismo. Al dedicar una pequeña cantidad de tiempo para estandarizar los fragmentos de ADN, dice, te colocas en una posición en la que el ensamblaje de fragmentos de ADN es completamente sencillo, libre de pensamientos, amigable con la automatización y no se convierte en un experimento. en si mismo.
Aplicaciones del mundo real
Ron Weiss, quien estudió informática en el MIT, se sintió atraído por la biología sintética por la perspectiva de desarrollar nuevos tratamientos médicos. Como estudiante de posgrado, creó algunos de los primeros circuitos biológicos (cuyas partes luego se ingresarían en el registro), incluidos algunos que permiten que las células se comuniquen con sus vecinas. También desarrolló circuitos para demostrar el concepto de Knight de un inversor biológico, comparable a un inversor electrónico, que toma una señal de entrada y produce la salida opuesta. En las células, se puede crear un inversor utilizando una proteína represora, que se une al ADN y bloquea la transcripción de un gen específico.
Después de terminar su doctorado, Weiss se unió a la facultad de Princeton, donde comenzó a trabajar con células de mamíferos. Fue entonces cuando su investigación comenzó a llamar la atención de los biólogos. Cuando comencé a dar charlas sobre los resultados que estábamos obteniendo en el trabajo con mamíferos, a la gente le resultó tan fácil conectarse con el trabajo y comprender por qué queremos poder hacer estas cosas, recuerda. Cuando digo que puedo programar células madre para que se diferencien en tipos de células particulares utilizando estas reglas y programas elaborados y sofisticados, podrían ver por qué eso podría ser relevante.
El laboratorio de Weiss en el MIT ahora está trabajando en la programación genética de células madre para que se conviertan en células beta pancreáticas, las células productoras de insulina de las que carecen los diabéticos tipo 1. Tenemos un programa genético complejo que lleva a estas células a través de una variedad de fases para imitar lo que sucede en la embriogénesis, dice Weiss. Lo hicimos en células madre embrionarias de ratón, parece que está funcionando, y ahora tengo un postdoctorado que está trabajando en una versión de células madre embrionarias humanas de eso.
Su laboratorio también está diseñando células que detectarían y matarían patógenos, formando algo así como un sistema inmunológico artificial. Y está trabajando en circuitos genéticos, quizás para ser incorporados a las células por virus inofensivos, que podrían detectar y destruir células tumorales. Sin embargo, estos son objetivos a muy largo plazo. Creo que llevará más tiempo de lo que la gente espera, dice Weiss. Todos estos son sistemas muy complicados. Pero sí creo que tendrá un impacto significativo en nuestra capacidad para abordar los problemas médicos. Esta noción de que potencialmente podemos diseñar células en nuestro cuerpo para que podamos tratar enfermedades o afecciones médicas de una manera programable para mí es realmente emocionante.
El biólogo sintético Christopher Voigt, a quien el MIT reclutó recientemente de la Universidad de California en San Francisco, codirigirá el nuevo centro. La investigación de Voigt involucra programación E. coli las células actúan como sensores que responden al tacto, la luz y los olores; ya ha creado versiones que responden a la luz cambiando de color, lo que le permite generar imágenes en una placa de Petri de bacterias.
Otro miembro, el profesor asistente Timothy Lu '03, MNG '03, PhD '08, está buscando aplicaciones tanto industriales como médicas para la biología sintética. Como estudiante de posgrado en la División de Ciencias y Tecnología de la Salud de Harvard-MIT, Lu trabajó con el profesor de la Universidad de Boston James Collins para diseñar un bacteriófago que pueda atacar las películas de bacterias que se acumulan en las superficies. El bacteriófago (un tipo de virus que ataca a las bacterias) mata el 99,997 por ciento de las células de estas biopelículas, que son muy difíciles de erradicar con antibióticos tradicionales.
Novophage, la empresa que Lu cofundó con Collins y otros para comercializar la tecnología, está desarrollando aplicaciones industriales para su virus que combate las biopelículas. También están colaborando con el Ejército de los Estados Unidos para diseñar virus que podrían matar bacterias resistentes a los antibióticos en los soldados que regresan de lugares como Irak y Afganistán. Estos tipos regresan a casa con heridas por explosión que están contaminadas con insectos que son muy resistentes a los antibióticos, dice Lu. De particular preocupación es una bacteria llamada Acinetobacter baumannii , que puede causar neumonía e infecciones del torrente sanguíneo y del tracto urinario.
Lu dice que el interés de los estudiantes universitarios en biología sintética está creciendo rápidamente y espera que el nuevo centro ayude a atraer aún más estudiantes al campo. Es una disciplina interesante porque los estudiantes generalmente no vienen al MIT expuestos a ella, y luego escuchan sobre ella a medida que avanzan en sus clases, dice. Por eso el centro es una gran idea, para intentar aumentar la visibilidad de la disciplina en el campus. Esperamos que esto se convierta en algo genial.