N.61 – Tecnologías de manipulación celular

Esta reseña comprende cinco (5) artículos vinculados con tecnologías de manipulación celular y sus aplicaciones: El primero (1) trata sobre el potencial de las células sintéticas autorreplicables. El segundo (2) se refiere al desarrollo de máquinas biosintéticas. El tercero (3) aborda el diseño y operación de microrrobots compuestos con hebras de ADN. El cuarto (4) trata sobre el: bioprocesamiento y bioproducción en terapias celulares y génicas. El quinto (5) alude a los músculos artificiales inspirados en el superenrollamiento del ADN

1.- Primer artículo: Células sintéticas autorreplicables: su potencial en agricultura, energía, nutrición, biomedicina y remediación ambiental (1.1.) (1.2.) (1.3.) (1.4.) (1.5.) (1.6.)

El desarrollo de células sintéticas es sumamente relevante tanto para la investigación básica como para la biotecnología. Al estar libres de la complejidad de los sistemas vivos naturales, son una herramienta para corregir y perfeccionar –con determinados objetivos- el código biológico en células vivas.

La investigación básica sobre células sintéticas es parte de un ambicioso proyecto cuyo objetivo es comprender: (a) cómo funciona la vida y cuáles son las funciones de los genes esenciales, (b) cómo se multiplican las células, y (c) cómo usar ese conocimiento para beneficio de toda la vida en la Tierra. La investigación aplicada permitirá acceder a vastas posibilidades en agricultura, energía, nutrición, biomedicina y remediación ambiental. Por ejemplo, las células sintéticas podrían actuar como pequeñas “fábricas” para producir medicamentos, alimentos y energía. Asimismo podrían usarse como pequeñas computadoras para detectar diversas enfermedades.

En 2016, investigadores dirigidos por Craig Venter en el Instituto J. Craig Venter en San Diego, California, anunciaron que habían creado células bacterianas sintéticas “mínimas” (las más simples conocidas). El genoma de cada célula contenía solo 473 genes que se creían esenciales para la vida. Dichas células, que se denominaron “JCVI-syn3.0”, pudieron crecer y dividirse en agar para producir colonias celulares.

Pero al examinar las células en división, los investigadores notaron que no se estaban dividiendo de manera regular y uniforme para producir células hijas idénticas, como ocurre en la mayoría de las bacterias naturales. En cambio, estaban produciendo células hijas de formas y tamaños extraños. Los creadores de “JCVI-syn3.0” habían descartado todas las partes del genoma que no creían esenciales para el crecimiento, pero sólo habían mantenido lo necesario para el crecimiento y la formación de colonias en una placa de agar, sin considerar lo requerido para que las células se dividieran y autorreplicaran de manera regular y uniforme.

Al reintroducir diversos genes en estas células bacterianas sintéticas y luego monitorear cómo las adiciones afectaban el crecimiento celular, pudieron identificarse siete (7) genes adicionales necesarios para que las células se dividieran uniformemente. La identificación de esos 7 genes adicionales insumió años de trabajo minucioso, ya que fue necesario construir –con un enfoque de genética inversa- docenas de cepas variantes agregando y eliminando genes sistemáticamente.

Cuando se agregaron estos 7 genes a “JCVI-syn3.0” para producir una nueva célula sintética, se verificó que ello era suficiente para restaurar la división y el crecimiento celular normal y uniforme. Allí se descubrió que, si bien ya se sabía que 2 de esos 7 genes estaban involucrados en la división celular, 5 no tenían una función conocida anteriormente. La célula “mínima” contiene diversos genes de función desconocida que son necesarios para que la célula viva.

Al adicionar al “JCVI-syn3.0” 19 genes, incluidos los 7 necesarios para la división celular normal, se creó una nueva variante denominada “JCVI-syn3A”, que ofrece un modelo genómicamente mínimo para la fisiología bacteriana. La nueva variante contiene 492 genes. Como mera referencia, cabe señalar que la bacteria E. coli tiene unos 4.000 genes, mientras que una célula humana tiene unos 30.000.

El hallazgo es el resultado de una colaboración entre el J. Craig Venter Institute (JCVI), el National Institute of Standards and Technology (NIST), y el Center for Bits and Atoms del Massachusetts Institute of Technology (MIT).

2.- Segundo artículo: Desarrollo de máquinas bio-sintéticas con base en plataformas celulares (2.0) (2.1.) (2.2.)

En el año 2020, investigadores del Allen Discovery Center de la Tufts University (Boston, Massachusetts) crearon los primeros “robots vivientes” utilizando células madre de embriones de la rana africana Xenopus laevis, que inspiró el nombre ”Xenobots”.

En este año (2021) el mismo equipo de investigación anunció la creación de un nuevo modelo de “Xenobots” capaces de autoensamblarse en un cuerpo a partir de una sola célula, convertirse en esferoides, moverse más rápidamente, navegar por diferentes entornos, vivir más tiempo, trabajar en grupos y recuperase de eventuales daños.

Algunas de las células cambiaron para producir cilios (extremidades móviles) que –mediante oscilaciones o giros- permiten a los nuevos “Xenobots” esferoidales movilizarse rápidamente a través de superficies, transportar materiales y desplazar fluidos.

Se aprovecha aquí la notable plasticidad de los colectivos celulares para construir un nuevo “cuerpo” rudimentario sustancialmente distinto de su predeterminado (una rana). Mientras que en un embrión de rana las células cooperan para crear un renacuajo, fuera de ese contexto las células pueden reutilizar su “hardware” codificado genéticamente, como los cilios, para nuevas funciones como la locomoción. Resulta sorprendente que las células puedan asumir espontáneamente nuevos roles y crear nuevos planes y comportamientos corporales sin largos períodos de selección evolutiva para alcanzar esas características.

Mientras los investigadores de Tufts desarrollaban los organismos físicos, los del Department of Computer Science de la University of Vermont (UVM, Burlington, USA) simulaban por computadora diferentes formas de los Xenobots, para analizar sus distintos comportamientos en grupos o por separado. El equipo utilizó el grupo de supercomputadoras Deep Green, en el Vermont Advanced Computing Core de UVM, para someter a los Xenobots a cientos de miles de escenarios ambientales aleatorios, generados por un algoritmo evolutivo.

Las simulaciones permitieron determinar qué enjambres de Xenobots tenían mayor capacidad para reunir recursos y recolectar residuos en un campo de partículas. Con apoyo del supercomputador se buscó, en el espacio de todos los posibles enjambres de Xenobot, cuáles mostraban mejor desempeño.

Si bien en esta fase inicial se asignan a los Xenobots tareas simples, el objetivo es lograr un nuevo tipo de herramienta viviente que podría, por ejemplo, suprimir microplásticos en el océano o contaminantes en el suelo. El potencial de los robots de este tamaño y con estas capacidades es enorme, especialmente porque los nuevos Xenobots pueden registrar información cambiando de color, como memoria.

Los principales aportes del artículo son los siguientes: (a) Se demuestra que los “Xenobots” pueden navegar en diversos ambientes acuosos, repararse después de un daño y mostrar comportamientos grupales emergentes, (b) Se construye un modelo computacional para predecir comportamientos colectivos útiles que pueden obtenerse de un enjambre de “Xenobots”, (c) Se proporciona una prueba de principio para una memoria molecular grabable utilizando una proteína fotoconvertible que puede registrar la exposición a una longitud de onda de luz específica, y (d) Dichos resultados introducen –conjuntamente-. una plataforma que permite estudiar diversos aspectos del autoensamblaje, el comportamiento del enjambre y la bioingeniería sintética, así como para diseñar y desarrollar máquinas vivas versátiles de cuerpo blando para numerosas aplicaciones prácticas en biomedicina y medio ambiente.

3.- Tercer artículo: Diseño veloz y operación de microrrobots compuestos con hebras de ADN

El ADN se utiliza hoy para fabricar nanodispositivos para diversas aplicaciones en biomedicina, nanofabricación, biología sintética, biosensores y biofísica. Se prevé que próximamente se dispondrá de pequeños robots y otros nanodispositivos basados en ADN que entregarán medicamentos dentro de nuestros cuerpos, detectarán la presencia de determinados patógenos y ayudarán a fabricar productos electrónicos cada vez más pequeños.

En el artículo aquí reseñado, investigadores de la Universidad Estatal de Ohio describen un nuevo software (denominado MagicDNA) para diseñar iterativamente estructuras de ADN. Dicha herramienta integra IAC (ingeniería asistida por computador), basada en dinámica molecular, con un enfoque versátil de DAC (diseño asistido por computador) que combina automatización de arriba hacia abajo con control de abajo hacia arriba sobre la geometría. Dicha herramienta permite diseñar rápidamente -de forma automatizada- grandes ensambles de múltiples componentes a partir de modelos tridimensionales, con un preciso control sobre las propiedades geométricas, mecánicas y dinámicas de las estructuras de ADN.

Si anteriormente podían diseñarse dispositivos con hasta 6 componentes individuales, conectarlos con juntas, rotores y bisagras y hacerlos ejecutar movimientos complejos, el software MagicDNA permite diseñar robots u otros dispositivos con más de 20 componentes mucho más fáciles de controlar para ejecutar las complejas acciones requeridas.

Una ventaja del MagicDNA es que permite realizar todo el diseño directamente en 3D, mientras que las herramientas de diseño anteriores solo permitían desarrollos en 2D, lo que obligaba a mapear posteriormente los diseños en 3D, por lo que no podían ser demasiado complejos.

El software también permite diseñar estructuras de ADN: (a) “de abajo hacia arriba“: se toman hebras individuales de ADN y se las organiza en la estructura deseada, lo que permite un control preciso sobre la estructura y las propiedades del dispositivo, o (b) “de arriba hacia abajo”: se definen las propiedades y la forma del dispositivo y luego se automatiza la organización de las hebras de ADN. La combinación de ambos enfoques permite aumentar la complejidad de la geometría general mientras se mantiene un control preciso sobre las propiedades de los componentes individuales. Por otra parte el software permite desarrollar simulaciones de cómo los dispositivos de ADN diseñados se moverían y operarían en el mundo real.

Algunos de los dispositivos diseñados incluyen brazos robóticos con garras que pueden recoger objetos minúsculos y una estructura de 100 nanómetros con forma similar a un avión 1.000 veces más pequeño que el ancho de un cabello humano.

Se facilita también la creación de dispositivos que puedan realizar diversas tareas. Por ejemplo, un robot de ADN que, una vez inyectado en el torrente sanguíneo, puede: (a) detectar un determinado patógeno, y (b) reaccionar liberando un medicamento o capturando al patógeno.

Se espera que, durante los próximos años, el software MagicDNA se utilice en universidades y laboratorios de investigación. Pero se prevé que, en los próximos 5 a 10 años se verán múltiples aplicaciones comerciales de nanodispositivos de ADN.

4.- Cuarto artículo: Bioprocesamiento y bioproducción en terapias celulares y génicas (4)

Las terapias celulares y génicas son promisorias para tratar enfermedades para las cuales hoy se carece de terapias eficaces. Pero el complejo proceso de I&D para entregar esas terapias a la clínica comprende varios pasos de bioprocesamiento y bioproducción que deben cumplirse y optimizarse para garantizar la seguridad y eficacia del producto final. Asimismo, el proceso debe continuar evolucionando posteriormente para satisfacer crecientes demandas y superar obstáculos inesperados (tales como el impacto de una pandemia en las cadenas de suministro y fabricación en las industrias biotecnológica y biofarmacéutica).

El artículo aquí reseñado contiene una entrevista de Technology Networks con Neal Goodwin, PhD, director científico de Teknova, para obtener información “de primera mano” sobre las tendencias actuales de bioprocesamiento y bioproducción en el espacio de la terapia celular y genética. Goodwin analiza también el impacto de la COVID-19 en el sector biofarmacéutico y destaca cómo la industria se unió para contribuir al desarrollo de vacunas.

Con relación a la evolución de la biotecnología en materia terapéutica, Goodwin destaca que “han sido 20 años fantásticos”, ya que el campo floreció con la revelación del genoma humano. Una vez que se tuvo a disposición el genoma humano, pudo verse que las terapias dirigidas tienen un impacto significativo en la atención médica personalizada. Es fabulosa la capacidad de pasar a la terapia génica, abordar trastornos genéticos graves y realizar la terapia de reemplazo de genes.

El progreso en la entrega de genes vectores virales y de nanopartículas no virales contribuyó al rápido avance de las principales vacunas COVID-19. Las vacunas basadas en ARNm y las tecnologías de administración de genes basadas en nanopartículas no virales han validado un enfoque prometedor de la terapia génica que se está expandiendo a enfermedades genéticas raras. La capacidad de producir vacunas de ARNm en masa demostró la viabilidad de los tratamientos de ARNm y las terapias génicas para un uso más generalizado para tratar condiciones y objetivos terapéuticos más amplios.

Respecto de las tendencias actuales en el espacio de bioprocesamiento y bioproducción señaló que, en primer lugar, existe una demanda considerable de bioprocesamiento y producción comercial de vectores virales y no virales. Estos esfuerzos deben respaldar lo que ahora son más de 1.000 programas de desarrollo clínico solo en terapia génica. Existe la necesidad de desarrollar mejores procesos individualizados que sean fácilmente escalables para lograr buenas prácticas de fabricación. Este esfuerzo requerirá la implementación de nuevas estrategias, nuevas tecnologías y una mayor capacidad de fabricación global. Queda mucho por desarrollar para optimizar procesos y capacidad.

Tras referirse a los desafíos clave en el desarrollo de terapias celulares y génicas, señaló que es fundamental disponer de procesos adaptables a los diferentes programas terapéuticos.

Con relación al impacto de la COVID-19 en el sector biotecnológico destacó que la pandemia impulsó -en el sector biotecnológico- una unión de esfuerzos para abordar enormes desafíos con rapidez y colaboración. Esta transformación infunde orgullo y permite abordar problemas que antes se consideraban insolubles.

Una de las áreas biotecnológicas más interesantes es la terapéutica de precisión. Por ejemplo, un obstáculo difícil de superar fue el tratamiento de cánceres relacionados con alelos KRAS mutantes específicos en un alto porcentaje de cánceres. Varias empresas han avanzado recientemente terapias para tratar con precisión este tipo de cáncer históricamente intratable.

5.- Quinto artículo: Músculos artificiales inspirados en el superenrollamiento del ADN (5.1.) (5.2) (5.3.)

La miniaturización de sistemas robóticos es obstaculizada por la dificultad para reducir sistemas convencionales de accionamiento mecánico. Frente a tal limitación, resulta atractiva la posibilidad de incorporar, a dispositivos robóticos, efectores similares al músculo esquelético, que podrían configurarse para generar respuestas de tracción, flexión o torsión.

Pero el músculo esquelético no es el único sistema mecánicamente activo en la naturaleza. La contracción del ADN eucariótico en el núcleo celular sugiere un mecanismo alternativo sumamente ventajoso. Si bien el ADN es uno de los polímeros naturales más rígidos y largos, en las células eucariotas se comprimen centímetros de ADN -a través de sucesivos eventos de superenrollamiento- para encajar en el núcleo celular del tamaño de un micrómetro.

El estudio aquí reseñado, realizado por investigadores de la Universidad de Wollongong (UOW), revela que la compactación del ADN genera una producción de trabajo mecánico muy superior a la del músculo esquelético. El superenrollamiento del ADN, donde la doble hélice se dobla y se pliega en estructuras de orden superior con una reducción concomitante en la longitud de un extremo a otro, ofrece un mecanismo alternativo de alto rendimiento para desarrollar músculos artificiales biomiméticos.

Dicha innovación podría revolucionar el abordaje de la mini y microrrobótica, con múltiples aplicaciones que podrían resultar fructíferas para la humanidad. Quizás podría usarse, por ejemplo, en microrrobots destinados a navegar dentro del cuerpo humano para buscar fuentes de enfermedad o suministrar tratamientos.