Miles de millones de años de evolución han equipado a los organismos naturales con una increíble diversidad de riqueza codificada genéticamente que, dada nuestra naturaleza como humanos, ofrece un gran potencial a la hora de entender nuestra fisiología y hacer avanzar nuestra medicina. Los productos naturales como la penicilina y la aspirina se usan a diario para tratar enfermedades, la levadura y el maíz producen biocombustibles, y los virus son capaces de distribuir genes terapéuticos dentro del cuerpo. Algunas de las herramientas más potentes para entender la biología, tales como la reacción de PCR, que permite que el ADN se amplifique y analice a partir de diminutas muestras, o la proteína fluorescente verde (GFP, en inglés), que emite un brillo verde y por tanto permite que las proteínas y los procesos puedan ser visualizados dentro de las células vivas, son aplicaciones de bioingeniería de genes que se dan en organismos especializados dentro de grupos ecológicos específicos. Sin embargo, ¿cómo logran recorrer estas herramientas el camino desde la naturaleza salvaje hasta la mesa del laboratorio o la cama del hospital?
Muchas aplicaciones de bioingeniería de productos naturales tienen lugar mucho antes del descubrimiento científico básico del producto en sí. Por ejemplo, Osamu Shimomura, que aisló la GFP a partir de las medusas por primera vez en los años 60, y compartió el Premio Nobel de Química 2008, en su día ofreció la siguiente explicación: “No hago mis investigaciones para su aplicación, o por cualquier otro tipo de beneficio. Simplemente investigo para comprender la luminiscencia de las medusas.” Alrededor de 30 años después, Douglas Prasher, Martin Chalfie y Roger Tsien junto a sus colegas aislaron el gen de la GFP, lo expresaron y empezaron a alterar el gen, permitiendo incontables tipos de nuevos estudios. La bioingeniería puede surgir a partir de la exploración consciente de la naturaleza, aunque a veces padece un largo retraso. Cada producto genético es una herramienta potencial para perturbar u observar un proceso biológico, siempre y cuando los bioingenieros imaginen y exploren de manera proactiva el significado de cada descubrimiento para así convertir los productos naturales en herramientas.
En cambio, muchas necesidades de bioingeniería probablemente acaban siendo satisfechas, al menos en parte, mediante un proceso encontrado en algún lugar de la naturaleza—tanto si se trata de la fabricación de nanopartículas magnéticas, o la detección de calor, o la síntesis de polímeros estructurales, o la implementación de procesos de computación complejos. La cuestión en la ciencia básica a menudo se reduce al grado de importancia general de un proceso a lo largo de la diversidad ecológica, aunque el bioingeniero sólo necesita un ejemplo de algo para empezar a copiarlo, utilizarlo y modificarlo.
Si fuéramos capaces de elaborar conexiones más directas entre la bioingeniería y los campos de la ecología y las ciencias de organimos básicas—convergiendo en un lugar al que podríamos denominar como “econiería” (“econeering”, en inglés)—podríamos, en conjunto, satisfacer las necesidades de bioingeniería urgentes más rápidamente, y dirigir los recursos hacia el descubrimiento de ciencia básica. Los científicos podrían usar estos descubrimientos de ciencia básica más rápidamente en beneficio de la bioingeniería humana.
Recientemente, hemos empezado a examinar algunos de los principios emergentes de la econiería, al tiempo que entramos en una nueva era—la del uso de reactivos para mediar el control de procesos biológicos que utilicen luz, a menudo llamados “optogenética.”
Un ejemplo: las opsinas son unas proteínas sensibles a la luz que pueden, entre otras cosas, alterar naturalmente el voltaje de las células cuando son iluminadas con luz. Como casi como diminutas células solares genéticamente codificadas. Muchas opsinas se encuentran en organismos que viven en ento os extremos, como los estanques salados. Las opsinas ayudan a estos organismos a sentir la luz y convertirla en formas de energía biológicamente útiles, como si fuera un tipo de fotosíntesis evolutiva.
nLos biólogos de plantas, bacteriólogos, bioquímicos de proteínas y otros tipos de científicos se han dedicado ampliamente al estudio de las opsinas a nivel de ciencia básica desde los años 70. Su objetivo ha sido el de descubrir cómo funcionan estas máquinas compactas y activadas por luz. Estaba claro para uno de nosotros (Boyden) aproximadamente hace una década que las opsinas podían, si se expresaban genéticamente en células que señalicen a través de la electricidad (como las neuronas o las células del corazón), ser utilizadas para alterar la actividad eléctrica de dichas células en respuesta a pulsos de luz.
Estas herramientas podrían ser un gran beneficio para la neurociencia. Podrían permitir a los científicos evaluar el papel de un tipo específico de célula o patrón de actividad neuronal en un comportamiento o patología, así como facilitar el estudio del modo en que otras células excitables, tales como las del corazón, las inmunes y las de los músculos, juegan su papel en la función de los órganos y de los organismos. Es más, dada la emergente importancia de las herramientas de terapia de neuromodulación, como la estimulación profunda del cerebro (DBS, en inglés), las opsinas podrían permitir el uso de novedosas terapias para corregir actividad aberrante en el sistema nervioso.
Lo que podría denominarse como la “fase de ejemplo” del campo de la econiería comenzó hace aproximadamente 10 años, cuando varios estudios publicados sugirieron que estas moléculas podrían ser utilizadas de forma segura y eficaz en células de mamíferos. Por ejemplo, unos estudios fundacionales en 1999 (por Okuno y sus colegas) y en 2003 (por Nagel y sus colegas) revelaron y caracterizaron las opsinas a partir de arcabacterias y algas con propiedades apropiadas para la expresión y la operación en células de mamíferos excitables eléctricamente. Incluso con estos estudios, los ejemplos de ciencia básica empezaron a conducir directamente a la adquisición de conocimientos de bioingeniería, demostrando, en el caso del estudio de Nagel, que una opsina podía ser expresada y funcionar con éxito en una línea celular de un mamífero. En 2005 y 2007, nosotros y nuestros colegas, en colaboración con científicos básicos y bioingenieros, mostramos que estas moléculas, cuando se expresan genéticamente en neuronas, podían usarse para mediar la activación por luz de neuronas y el silenciado por luz de neuronas. En los pocos años transcurridos desde entonces, estas herramientas han encontrado un uso en actividades que van desde la aceleración del proceso de análisis de fármacos, hasta la investigación del modo en que los circuitos neuronales implementan las sensaciones, el movimiento, la cognición y la emoción, pasando por el análisis del circuito patológico de, y el desarrollo de novedosas terapias para, las enfermedades neuronales.
La aventura de la econiería está entrando en lo que podría denominarse como la “fase de clasificación,” a medida que adquirimos los suficientes datos para predecir los recursos ecológicos que producirán las herramientas óptimas para los objetivos de bioingeniería específicos. Por ejemplo, en un estudio de nuestro grupo de investigación publicado en Nature el 7 de enero de 2010, analizamos unas opsinas naturales procedentes de especies de todos los reinos de organismos vivos exceptuando a los animales. Con la suficiente cantidad de ejemplos a nuestra disposición, surgieron clases distintas de opsinas, con propiedades funcionales distintas.
Descubrimos que las opsinas de especies de hongos funcionaban mejor con la luz azul que las opsinas procedentes de arcabacterias, que respondían mejor ante la luz amarilla o roja. Las dos clases, unidas, permitían la perturbación de dos grupos de neuronas por dos tipos de color de luz distintos. Este descubrimiento no sólo permite una perturbación muy potente por separado de dos poblaciones neuronales entremezcladas—algo importante a la hora de determinar cómo funcionan juntas—sino que también abre la posibilidad de alterar la actividad en dos tipos de células distintos, conduciendo hacia nuevas posibilidades clínicas para la corrección de la actividad cerebral aberrante. A partir de datos y conversaciones con muchos científicos básicos, empezamos a mutar estos genes para explorar las clases con más detalle, creando opsinas artificiales para ayuda os a identificar los límites entre las clases. El entendimiento de estos límites no sólo nos proporcionó claridad acerca del espacio de posibilidades de bioingeniería, sino que nos indicó hacia dónde dirigir nuestra mirada dentro de la naturaleza en caso de querer aumentar una propiedad de bioingeniería específica.
nEn el modelo actual de econiería, la “fase de ejemplo” y la “fase de clasificación” proporcionan oportunidades para la creación de interacciones productivas entre los bioingenieros y los ecologistas o científicos de organismos. Durante la fase de ejemplo descrita anteriormente, tanto los científicos básicos como los bioingenieros pusieron a prueba una serie de candidatos a reactivo para ver qué resultaba de utilidad, y después muchos grupos se pusieron a la caza de nuevos ejemplos. Durante la fase de clasificación, un mayor número de estrategias de biología sintética y genómica más sistemáticas permitieron una evaluación más detallada de las propiedades de las distintas clases de reactivos.
Es interesante destacar que algo similar ha estado sucediendo recientemente con la GFP, al tiempo que las distintas clases de proteínas fluorescentes emergen con propiedades distintas entre sí: durante un tiempo, se sabía que al mutar la GFP original de las medusas se podían conseguir proteínas fluorescentes amarillas, aunque no rojas. Hace una década, se reveló un ejemplo de proteína fluorescente roja a partir del coral—hoy día este ejemplo ha producido, a través de la bioingeniería, una nueva clase de moléculas fluorescentes con colores como los del tomate o la ciruela. Así que es posible que el ciclo descrito aquí—el hecho de encontrar un ejemplo, definir una clase y repetirlo—pudiese representar un proceso de econiería generalmente útil, que combine un tipo de optimización basado en la suerte con habilidades científicas y de ingeniería.
¿La comunidad dedicada a las opsinas ha hecho un “mejor trabajo” que la comunidad dedicada a las proteínas fluorescentes a la hora de acelerar la conversión de los conocimientos de ciencia básica en aplicaciones de bioingeniería? Bien, una de las opsinas que analizamos en el estudio de este mes fue caracterizada por primera vez a principios de los años 70, y dio mejores resultados a la hora de cambiar el voltaje de células de mamíferos que quizá la mitad de las otras opsinas que analizamos. Por tanto podríamos decir que un buen candidato a reactivo se había estado escondiendo de nuestra vista durante al menos 40 años.
Aunque estos dos campos específicos se han beneficiado del trabajo conjunto de los científicos básicos y los bioingenieros, una forma general de acelerar el proceso de la econiería consistiría en celebrar reuniones de trabajo uniendo a científicos dedicados a la ecología, a científicos de organismos y a bioingenieros a una escala mucho mayor, para explorar qué recursos naturales podrían ser investigados con mayor detalle, o qué necesidades dentro de la bioingeniería deberían ser más investigadas. Después, una serie de acciones, tanto monetarias como intelectuales, podrían facilitar el flujo activo de conocimientos y reactivos entre estos dos campos. El siguiente paso podría consistir en enseñar a la gente de cada campo los conocimientos y habilidades del otro: ¿cuántos bioingenieros desearían tener la capacidad de cazar y caracterizar especies en el océano o el desierto? ¿Cuántos biólogos de organismos y ecologistas se beneficiarían de la prueba de aplicaciones en áreas específicas de necesidad médica?
Para completar la visión de la econiería, deberíamos crear tecnologías para la evaluación de las funciones de los subsistemas biológicos de forma rápida y completa, quizás incluso permitiendo que las evaluaciones rápidas de ciencia básica y bioingeniería se hicieran de una vez. Una serie de dispositivos de fenotipicación de tipo ‘punto-de-descubrimiento’ que permitiesen la clonación de genes o vías genéticas, la expresión entre distintas especies, y el análisis funcional—e incluso metodologías como la evolución dirigida ‘en-el-campo’—permitirían la rápida evolución de la fisiología de los productos de genes o de los grupos de productos de genes interactuantes. (Nota: la secuencia genética es importante, pero sólo es el comienzo; las secuencias de genes no son suficientes por sí mismas para comprender completamente la función de un producto genético dentro de un contexto complejo natural o de bioingeniería.)
Las herramientas de visualización bioinformática también podrían ser útiles: ¿podemos escanear la ecología con una lente de bioingeniería, revelando áreas del espacio evolutivo que no hayan sido investigadas (al nivel de ejemplo o de clasificación)? ¿Cuáles son las áreas dentro de las necesidades de bioingeniería donde los ejemplos procedentes de la naturaleza podrían ser útiles a la hora de inspirar soluciones?
Lo ideal sería que surgiese una caja de herramientas de econiería que nos permita afrontar algunas de las necesidades que aún no hemos cubierto—no sólo las enfermedades cerebrales, sino otras necesidades dentro de espacios complejos tales como la energía, la resistencia de los antibióticos, la desalinización, y el clima. Si podemos entender mejor, inventar a partir de, y mejorar la preservación de nuestros recursos naturales, podremos equipa os con miles de millones de años de bioingeniería natural. Esto nos dará una enorme ventaja a la hora de solucionar los grandes problemas de nuestra época—y ayudará a las futuras generaciones a que solucionen los suyos.