De biodiversidad a bioeconomía: bioinformática, automatización, industria, comercio

Una de las promesas de las ciencias biológicas actuales es la transferencia del sistema económico-productivo de petróleo-dependiente a biológico-dependiente. Esta transferencia sugiere además transferir el valor asignado a las reservas petroleras actuales hacia las reservas de biodiversidad del futuro dado que el objetivo de tal transferencia es aplicar sistemas biológicos para la síntesis comercial de productos que históricamente son ligados a la extracción y refinamiento de petróleo.
En pocas palabras, si antes producíamos a partir del petróleo, mañana produciremos a partir de la biología.

De la mano de la biología y ecología sintéticas, la biología de sistemas y la ingeniería genética clásica se busca explorar la diversidad de mecanismos a través de los cuales los seres vivos desarrollan y regulan una función específica a nivel celular (tolerancia a los solventes, por ejemplo) o poblacional (dinámica intra o interpoblacional, por ejemplo). Esto con la idea de capturar tal mecanismo y transplantarlo a microorganismos industriales, Escherichia coli y Saccharomyces cerevisiae, por ejemplo, que hoy se pueden utilizar para la síntesis comercial de fármacos, combustibles, fibras textiles, plásticos, etc. Saccharomyces cerevisiae, la levadura de la cerveza, es quizá uno de los más robustos chasises biotecnológicos y se ha utilizado para la síntesis exitosa de compuestos que incluyen precursores de morfina, diesel y caucho.

Por un lado, la caída de precios de secuenciamiento genómico ha convertido a la información genómica en una de las herramientas más accesibles para la investigación fisiológica, que se aplica para transferir la fisiología natural de un microorganismo con características interesantes hacia otro desarrollado con el fin explícito de producir a escala industrial para satisfacer una demanda comercial específica. Es decir, si se puede ubicar y secuenciar el gen relacionado con una función en particular, se puede transplantar ese gen hacia microorganismos industriales que entonces tendrían nuevas capacidades potencialmente comerciales.

En este contexto, el dogma diseñar-construir-probar-aprender se va volviendo clave para la integración biología-industria.
Diseñar un elemento biológico, desde un gen hasta una vía metabólica, a partir de bases de datos relevantes u organismos naturales.
Construír tal elemento, ya sea utilizando técnicas de clonación tradicionales, no tradicionales o síntesis de ADN.
Probar tal elemento dentro de un organismo industrial.
Aprender para empezar el ciclo nuevamente optimizando así el producto final.

Este ciclo, sin embargo, no puede competir comercialmente con los sistemas de producción petróleo-dependientes por la magnitud del número de ciclos necesarios para producir efectivamente utilizando sistemas biológicos. Por ejemplo, una tesis de doctorado tomará 4-5 años y llevará en el mejor de los casos a la optimización de una ruta metabólica, para producir un fármaco antimalaria, por ejemplo. Mucho más común es que tal inversión en tiempo y recursos materiales, multiplicada por 10 investigadores genere tan solo 1/10 del conocimiento requerido para sintetizar un compuesto comercial utilizando sistemas biológicos.

La integración bioinformática-automatización es aún incipiente y al momento es quizás la única forma de resolver éste problema. Compañías como TeselaGen, por ejemplo, pueden diseñar un gen, una ruta metabólica o un organismo in silico. Por otro lado, Twist Bioscience, otra compañía interesante, puede sintetizar ADN comercialmente partiendo de aquella información. La integración de estas dos capacidades permite acoplar el diseño de elementos biológicos industriales asistido por computadores y la síntesis de tales elementos para generar ADN con instrucciones específicas. Gingko Bioworks o Zymergen, compañías que diseñan y optimizan organismos industriales, pueden entonces utilizar éste ADN para construir organismos con aplicaciones comerciales específicas. Aún más interesante es el caso de Antheia, compañía que busca minimizar el número de ciclos necesarios para optimizar la producción de productos naturales derivados de plantas evaluando y potencialmente transfiriendo la ruta metabólica completa desde la planta hacia Saccharomyces cerevisiae. En otras palabras, Antheia busca transferir los genes involucrados en la síntesis de fármacos o potenciales fármacos desde plantas medicinales hacia levaduras para que éstas últimas puedan producir compuestos terapeúticos sin necesidad de acceder o cultivar a la planta medicinal. Una levadura dotada de los genes requeridos para sintetizar un fármaco determinado puede sintetizarlo de forma análoga a la cual una levadura cervecera produce alcohol a partir de azúcar utilizando los genes requeridos para éste tipo de fermentación. En base a éste concepto, Antheia ha conseguido la síntesis de precursores de la morfina sin necesidad de acceder a la amapola.(*)

La integración de sistemas bioinformáticos que colecten, analicen e interpreten información biológica con sistemas automatizados de generación y control da calidad de ADN es entonces uno de los primeros pasos requeridos para desplazar el petróleo como fuente de energía y materiales utilizando sistemas biológicos.

ADN de calidad sería entonces la materia prima de los procesos industriales de manufactura en el futuro.

Una vez que un organismo industrial es capaz de producir exitósamente un compuesto comercial a escala de laboratorio (digamos entre 1 y 100 litros), el siguiente reto consiste en incrementar la escala de producción para satisfacer las necesidades del mercado (más de un millón de litros).

La automatización es nuevamente clave pero, en éste contexto, el reto no es evalúar la calidad del ADN, sino la respuesta de un organismo optimizado para la producción a pequeña escala hacia el ambiente necesario para producir un compuesto determinado a escala comercial. En éste sentido, Amyris es quizás la compañía que establece los mejores criterios de escalamiento ya que le toma un año producir un compuesto específico a escala industrial usando microorganismos. Es decir, en un año Amyris desarrolla la ruta metabólica que más eficientemente produce un compuesto determinado y escala tal metabolismo industrial para la síntesis comercial del compuesto.

Tanto la producción inicial como el escalamiento final para la síntesis comercial de un compuesto independientemente del petróleo se centra en la optimización de un microorganismo industrial modificando sus componentes genéticos. Esta optimización se centra en la información disponible en bases de datos públicas y privadas y la automatización del ciclo diseñar-construir-probar-aprender que ahora se puede practicar el laboratorios caseros. La capacidad de transferir rutas metabólicas completas desde organismos naturales hacia organismos industriales a menos de una década del primer reporte de biología sintética ilustra el tremendísimo ritmo al cual las tecnologías relevantes se desarrollan y obliga a evaluar periódicamente los marcos legales de acceso e intercambio de beneficios establecidos para incentivar la conservación de biodiversidad en países biodiversos.

Una síntesis de compañías relevantes, aquí.

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(*) Las implicaciones geopolíticas y sociales relacionadas a ésta nueva capacidad de síntetizar precursores de la heroína, una de las drogas más utilizadas y cuya fuente principal al momento es Afganistán, van más allá de los objetivos del presente artículo pero valen la pena considerarse. Similarmente, los marcos legales de transferencia de organismos y material genético deben evaluarse periódicamente en base al acelerado avance de las tecnologías que permiten la aplicación de genes y organismos para la industria y el comercio.

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