La biología sintética reinventa el desarrollo
El equipo de investigación ha utilizado la biología sintética para desarrollar un nuevo tipo de diseño genético
Richard Feynman, uno de los físicos más respetados del siglo XX, dijo: "Lo que no puedo crear, no lo entiendo". No es de extrañar que muchos físicos y matemáticos hayan observado procesos biológicos fundamentales con el objetivo de identificar con precisión los ingredientes mínimos que podrían generarlos. Un ejemplo de ello son los patrones de la naturaleza observados por Alan Turing. El brillante matemático inglés demostró en 1952 que era posible explicar cómo un tejido completamente homogéneo podía servir para crear un embrión complejo, y lo hizo utilizando uno de los modelos matemáticos más simples y elegantes jamás escritos. Uno de los resultados de este tipo de modelos es que la simetría que muestra una célula o un tejido puede "romperse" bajo una serie de condiciones. Sin embargo, Turing no fue capaz de poner a prueba sus ideas, y tuvieron que pasar más de 70 años antes de que un avance en la técnica de la biología pudiera evaluarlas de forma decisiva. ¿Puede hacerse realidad el sueño de Turing mediante la propuesta de Feynman? La ingeniería genética ha demostrado que sí.
Evolución de la colonia de E. coli modificada mediante biología sintética.
Salva Duran
Ahora, un equipo de investigación del Instituto de Biología Evolutiva (IBE), centro mixto de la UPF y el Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), ha desarrollado un nuevo tipo de modelo y su implementación mediante biología sintética puede reproducir la rotura de simetría observada en los embriones con la mínima cantidad de ingredientes posible.
El equipo de investigación ha conseguido implementar mediante biología sintética (introduciendo partes de genes de otras especies en la bacteria E. coli) un mecanismo para generar patrones espaciales observados en animales más complejos, como la Drosophila melanogaster (mosca de la fruta) o los humanos. En el estudio, el equipo observó que las cepas de E. coli modificadas, que normalmente crecen en patrones circulares (simétricos), lo hacen en forma de flor con pétalos a intervalos regulares, tal y como había predicho Turing.
"Queríamos construir la ruptura de la simetría que nunca se ve en las colonias de E. coli, pero que sí se ve en los patrones de los animales, y luego descubrir cuáles son los ingredientes esenciales necesarios para generar estos patrones", dice Salva Duran-Nebreda, que realizó esta investigación para su doctorado en el laboratorio de Sistemas Complejos y actualmente es investigador postdoctoral en el laboratorio de Evolución Tecnológica del IBE.
Utilizando la nueva plataforma sintética, el equipo de investigación fue capaz de identificar los parámetros que modulan la aparición de patrones espaciales en E. coli . "Hemos visto que modulando tres ingredientes podemos inducir la ruptura de la simetría. En esencia, hemos alterado la división celular, la adhesión entre células y la capacidad de comunicación a larga distancia (quorum sensing), es decir, percibir cuándo hay una decisión colectiva", comenta Durán-Nebreda.
Las observaciones realizadas en el modelo de E. coli podrían aplicarse a modelos animales más complejos o a principios de diseño de colonias de insectos. "De la misma manera que los organoides u órganos en miniatura pueden ayudarnos a desarrollar terapias sin tener que recurrir a modelos animales, este sistema sintético abre el camino para entender un fenómeno tan universal como el desarrollo embrionario en un sistema in vitro mucho más sencillo", afirma Ricard Solé, investigador ICREA del grupo de Sistemas Complejos del IBE, y responsable de la investigación.
El modelo desarrollado en este estudio, el primero de este tipo, podría ser clave para entender algunos eventos del desarrollo embrionario. "Debemos pensar en este sistema sintético como una plataforma para aprender a diseñar diferentes mecanismos biológicos fundamentales que generan estructuras, como el paso de un cigoto a la formación de un organismo completo. Además, este conocimiento en la frontera entre los procesos mecánicos y biológicos, podría ser muy útil para entender los trastornos del desarrollo", concluye Durán-Nebreda.
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