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13 DICIEMBRE

BIOTECNOLOGÍA

Las herramientas de diseño automático que están cambiando la biología sintética

Las herramientas de diseño automático que están cambiando la biología sintética

Los sistemas asistidos por computadora están ayudando a los investigadores a crear circuitos genéticos para ordenar información. Su teléfono inteligente y computadora portátil están hechos de circuitos electrónicos.



Anna Nowogrodzki

Los circuitos genéticos, modelados a partir de los electrónicos, son combinaciones diseñadas por el hombre de componentes genéticos que interactúan para producir una o más proteínas o moléculas de ARN, por ejemplo, en respuesta a un estímulo dado, como una toxina. Bajo las condiciones adecuadas, el circuito podría activarse para producir "proteína A, que luego interactúa con la proteína B para obtener el resultado C", dice David Riglar, biólogo sintético de la Escuela de Medicina de Harvard en Boston, Massachusetts. Pero hasta hace aproximadamente una década, estos dos tipos de circuitos se hacían de formas muy diferentes.

Los ingenieros electrónicos diseñan circuitos utilizando herramientas automatizadas de diseño asistido por computadora (CAD). Los ingenieros genéticos, por el contrario, han tenido que diseñar circuitos biológicos manualmente, y uno a la vez, un proceso laborioso, iterativo y propenso a errores. Las herramientas computarizadas de diseño genético están cambiando eso. Automatizan el proceso mediante el cual los investigadores diseñan circuitos genéticos complejos que pueden programar células, especialmente bacterias y levaduras, para llevar a cabo acciones específicas, como la activación de una enzima en particular o la producción de cierta proteína. Los biólogos sintéticos han usado organismos unicelulares de esta manera para producir medicamentos, sensores biológicos que incluyen células o anticuerpos, enzimas para su uso en la industria y más.

"Las herramientas de diseño para circuitos genéticos deberían ampliar enormemente la accesibilidad de los tipos de manipulaciones genéticas consideradas típicamente como biología sintética", dice Elizabeth Strychalski, ingeniera microbiana del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) de los EE.UU. En Gaithersburg, Maryland, su grupo utiliza las herramientas de diseño genético Cello y j5 para desarrollar "sistemas de medición vivos", dice: células que pueden actuar como sensores y responder a su entorno. "Esos organismos genéticamente modificados se convierten en herramientas por derecho propio, permitiendo a cualquier persona nuevas formas de entender y controlar la biología a escala celular".

De acuerdo con Douglas Densmore, quien dirige la integración interdisciplinaria del laboratorio de investigación de automatización del diseño en la Universidad de Boston, tales herramientas representan un cambio fundamental en la forma en que se diseñan los circuitos genéticos. Anteriormente, explica, el diseño de circuitos genéticos era principalmente un proceso a medida. Como resultado, los diseños eran difíciles de compartir, mejorar y ampliar. "No es realista construir una industria con enfoques artesanales", dice. Aunque estos "son excelentes para la investigación en etapa temprana", en última instancia, no se pueden transferir a gran escala. Ahí es donde entra en juego la automatización. "La automatización comenzará el proceso de sacar los diseños de las computadoras portátiles al software", dice.

Una creciente colección de herramientas de diseño de circuitos sugiere que el campo está de acuerdo. Sin embargo, el desarrollo de software para biología sintética está en proceso de cambio. Una herramienta, Genetic Constructor, fue terminada abruptamente por su empresa matriz, el desarrollador de software CAD Autodesk Research en San Rafael, California, en agosto. Pero los investigadores que trabajan en organismos unicelulares todavía tienen acceso a algunas herramientas de código abierto o disponibles de forma gratuita, como Cello, j5 y otra llamada iBioSim. Pueden usar estas herramientas para tejer circuitos en genomas completos o para diseñar miles de variantes para examinar diferentes combinaciones de genes, enzimas o dominios de proteínas.

"Las herramientas CAD son absolutamente necesarias para el diseño de sistemas biológicos", dice Andrew Hessel, un futurista genómico y director ejecutivo de Humane Genomic en San Francisco, California.

Genética

Densmore, quien desarrolló Cello, tiene experiencia en automatización de diseño electrónico, y eso se nota. Los investigadores pueden dirigir a Cello a diseñar un circuito genético que cumpla con ciertas especificaciones sin tener que decirle al software nada sobre cómo construirlo realmente, al igual que con las herramientas de diseño electrónico. Los usuarios instruyen el software, disponible como código fuente y como aplicación web, utilizando Verilog, el mismo lenguaje informático que los ingenieros electrónicos utilizan para describir sus circuitos de silicio. "Usted especifica la función que desea, no la forma en que se crea", explica Densmore. Por ejemplo, los usuarios podrían pedirle a Cello que diseñe un circuito genético que produzca una proteína cuando detecte la presencia de dos anticuerpos en particular. El software luego resolverá qué componentes deben unirse para que eso suceda, y genera las secuencias de ácido nucleico necesarias para construirlo físicamente. El cello también predice qué tan bien es probable que funcionen sus circuitos.

Densmore diseñó Cello en colaboración con el laboratorio del biólogo sintético Christopher Voigt en el Instituto de Tecnología de Massachusetts en Cambridge, para su uso en la bacteria Escherichia coli. Ahora, están expandiendo conjuntamente la herramienta para trabajar en la levadura, dice. Densmore y Voigt están usando Cello para diseñar circuitos que producen una pequeña molécula de señalización en respuesta a la presencia de otras dos moléculas, y están trabajando en circuitos con memoria que funcionan de diferentes maneras según el orden en el que detectan los objetivos, dice Densmore. 

A diferencia de Cello, otras herramientas automatizadas, como iBioSim, j5 y GenoCAD, no escupen predicciones sobre el rendimiento de los circuitos genéticos o si son correctas. Y todos requieren que el usuario conozca e ingrese información sobre cómo se estructurará el circuito.

Una gramática genética

GenoCAD, que es comercial pero tiene una versión de código abierto, proporciona reglas que definen qué partes funcionales de las secuencias de ADN pueden ir juntas, tratando las secuencias como código de programación. “Las secuencias de ADN tienen la misma complejidad lingüística que los lenguajes de programación: hay reglas que las personas deben respetar”, explica Jean Peccoud, fundador y director ejecutivo de GenoFAB en San Francisco, que desarrolló el software como la base para un conjunto más amplio de genéticos. Herramientas y servicios de diseño. “Es una gramática. Todas esas reglas son representaciones formales de conocimiento biológico ”. Y a partir de ellas, el software puede traducir un diseño de circuito en la secuencia de una pieza física de ADN, a partir de la cual se puede construir el circuito. (El violonchelo se basa en un conjunto de reglas similares: un lenguaje llamado Eugene, que Densmore desarrolló).

Creado por el Instituto Joint BioEnergy en Emeryville, California, y con licencia exclusiva de San Francisco, j5 permite a los investigadores diseñar circuitos genéticos arrastrando y soltando elementos de control genético sobre un lienzo. "Usted establece una serie de símbolos que dicen: 'Quiero un promotor aquí, quiero un sitio de unión al ribosoma'", dice Densmore. Los usuarios pueden seleccionar múltiples componentes que tal vez quieran probar en una ubicación particular, por ejemplo, para determinar qué combinación produce el resultado más robusto. "Luego, usa las reglas para decir: "No coloque la parte A con la parte B, sino que la parte C debe ir después de la parte D", y luego enumera todas las combinaciones diferentes", dice Densmore. Los investigadores de universidades e institutos sin fines de lucro pueden usar el software a través de una cuenta gratuita; La firma también ofrece cuentas comerciales.

No se requieren habilidades especiales para usar herramientas automatizadas de diseño de ADN, pero debido a que requieren una especificación detallada de los elementos, la familiaridad con la programación de computadoras ayuda. "No creo que la curva de aprendizaje sea demasiado empinada en este momento, incluso en las herramientas más sofisticadas", dice Hessel. "Ninguna de estas herramientas es tan sofisticada que no se puedan aprender en unos pocos días". La parte difícil, dice Hessel, es construir y probar los circuitos resultantes. Peccoud dice que puede enseñar incluso a los biólogos moleculares que no tienen conocimientos de informática para utilizar GenoCAD en tan solo unas horas.

Para aquellos que necesitan ayuda, la mayor comunidad de biología sintética es probablemente el mejor lugar para comenzar. "Los investigadores en este campo son generalmente accesibles y útiles", dice un ingeniero microbiano que trabaja con Strychalski en el NIST. "Me gustaría animar a alguien que está empezando a pedir consejo y aprovechar al máximo los considerables recursos en línea", como el repositorio de códigos GitHub, dice.

Un nicho sin cubrir involucra herramientas que son accesibles para los no expertos, pero lo suficientemente potentes y escalables para manejar millones de pares de bases de ADN y muchos diseños. Antes de que se cerrara en agosto, junto con todo el equipo de ciencias de la vida de Autodesk, Genetic Constructor hizo exactamente eso. El cierre "fue una decisión estratégica interna", dice Eli Groban, un biólogo computacional que dirigió la gestión y estrategia de proyectos para el grupo de ciencias de la vida de Autodesk. Cuando la compañía anunció por correo electrónico que Genetic Constructor estaba terminando, dice Groban, recibió respuestas. de grupos de investigación individuales pidiéndoles que sigan adelante. La interfaz de usuario de la herramienta fue diseñada para ser más accesible para la comunidad más amplia de biólogos que las herramientas dirigidas únicamente a los biólogos sintéticos, dice. "Las brechas que Genetic Constructor quería arreglar todavía se aplican".

El uso de herramientas de diseño de circuitos genéticos está aumentando entre los biólogos sintéticos, dice Strychalski, aunque lentamente. Groban dice que el problema es de la economía. “En la comunidad académica, existe esta vacilación de pagar por el software. Nadie realmente hace ese análisis de costo-beneficio "que podría ser más barato gastar incluso decenas de miles de dólares en software pagado que hacer que los estudiantes graduados pasen una cantidad significativa de tiempo construyendo su propia versión, o diseñando circuitos a la antigua usanza. camino.

En este momento, "la mayoría de los biólogos no trabajan a gran escala", dice Hessel, pero eso podría estar cambiando. Él les dice a los estudiantes que en sus carreras, operarán en una escala mucho más grande que su trabajo de laboratorio actual, administrando robots de manejo de líquidos y probando conjuntos de datos mucho más grandes de variantes genéticas. Las herramientas automatizadas de diseño genético podrían ser necesarias para que eso suceda.

Traducción: Cecilia González P.

Publicado: 13 de diciembre de 2018

Fuente: Nature

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