La biología es una constructora asombrosa. Piense en la complejidad y la organización necesarias para construir una secuoya gigante, o para formar la extraordinaria resistencia a la tracción de una telaraña, o la capacidad masiva de los antiguos microbios para modificar la atmósfera terrestre.
Hoy en día, los científicos están aprovechando este poder de construcción en el campo de la biología de ingeniería para lograr funciones biológicas a medida para numerosas aplicaciones diferentes y nuevas. La convergencia de la comprensión biológica, la ciencia de datos y las herramientas de la biología molecular, junto con la capacidad de sintetizar ADN a pedido, nos ha permitido transformar las células en “minifábricas” para la producción de productos útiles para los seres humanos.
Por ejemplo, la seda de la telaraña de una araña es un material que las arañas han optimizado a lo largo de milenios, ya que es ligera pero extremadamente resistente, y fantástica para atrapar presas. Utilizando el conocimiento del código genético, los científicos ahora pueden instruir a microbios especializados para producir seda de araña en cantidades imposibles de otro modo. Dicha seda puede fabricarse ahora en tejidos para ropa de aventura y en blindajes para la defensa militar.
La capacidad de aprovechar esta asombrosa capacidad de construcción se está acelerando gracias al nuevo campo de la biología de ingeniería, que aplica principios de ingeniería como la estandarización, la modularización y la robustez a la ingeniería genética de sistemas vivos complejos para aplicaciones específicas. Se están estableciendo nuevos flujos de trabajo robotizados y plataformas tecnológicas, lo que da lugar a distintos tipos de laboratorios centrados exclusivamente en acelerar y prototipar diseños biológicos para aplicaciones de biología de ingeniería. Hoy en día, estas instalaciones se denominan biofundiciones y se están estableciendo rápidamente en todo el mundo.
En el núcleo de las biofundiciones se encuentra el ciclo Diseñar-Construir-Probar-Aprender (DBTL), que incluye el diseño computacional de partes genéticas de ADN, el ensamblaje físico de las partes de ADN diseñadas, la creación de prototipos y la prueba del rendimiento de los diseños en células vivas, seguidos de la aplicación de herramientas de modelización y aprendizaje computacional para orientar el proceso de diseño. Las iteraciones del ciclo DBTL dan lugar a diseños genéticos que pretenden cumplir las especificaciones de diseño.
La infraestructura de las biofundiciones actuales varía, pero se basa principalmente en robots de manipulación de líquidos de alto rendimiento que permiten millones de manipulaciones de líquidos controladas por ordenador, automatizando muchos de los procesos necesarios para la ingeniería genética de sistemas vivos. Junto a estos, también hay instrumentos de medición biológica de alto rendimiento que proporcionan los datos necesarios para orientar el proceso de biodiseño. Estas instalaciones de biodiseño y creación de prototipos son análogas a las desarrolladas para los ordenadores en la década de 1970, que dieron lugar a la revolución de las TIC y, como tales, son clave para una futura capacidad mundial de biofabricación y para las perspectivas de una bioeconomía sostenible.
Como característica única, las biofundiciones pueden crear prototipos de microbios modificados para convertir los residuos de un proceso industrial en un insumo para otro, abriendo la puerta a una fabricación sostenible difícil de alcanzar sin la biología. Estos microbios modificados pueden, por ejemplo, convertir el gas metano liberado por las chimeneas en biomasa rica en proteínas para piensos animales en biorrefinerías adyacentes. Otro ejemplo es la producción altamente eficiente de ácidos grasos y diésel a partir de glucosa mediante una bacteria modificada metabólicamente, lo que abre la posibilidad de no depender del aceite vegetal ni de la grasa animal para producir biodiésel.
El desarrollo de fábricas celulares microbianas tan eficientes puede agilizarse dentro de las biofundiciones. Otras aplicaciones incluyen fábricas celulares microbianas que producen productos químicos básicos, bioplásticos, alimentos a base de proteínas y antibióticos, por citar solo algunos, como parte de una transición hacia sistemas de fabricación de base biológica más sostenibles que utilizan células modificadas. Las aplicaciones también se extienden a biosensores y herramientas de diagnóstico de bajo coste de base biológica, que pueden prototiparse y optimizarse rápidamente antes de su despliegue. Estos incluyen nuevos biosensores ambientales para detectar la contaminación del agua por arsénico y plomo, así como enfermedades, en entornos con pocos recursos.
Otras aplicaciones sanitarias incluyen la creación de prototipos de nuevas vacunas, el desarrollo de nuevas terapias celulares contra el cáncer y la ingeniería de sistemas vivos de administración de fármacos probióticos y de detección de enfermedades. Por ejemplo, las comunidades de microbios de nuestro cuerpo ofrecen nuevas intervenciones terapéuticas; por ejemplo, las comunidades de nuestro intestino pueden modificarse para maximizar la absorción de nutrientes y la detección de enfermedades, al tiempo que regulan la estrecha relación entre la salud intestinal, mental e inmunológica. Todas estas aplicaciones requieren células modificadas o comunidades de microbios modificados que puedan diseñarse, crearse como prototipos y desarrollarse dentro de las biofundiciones.
Esta extraordinaria capacidad de diseñar la biología conlleva el reconocimiento de la necesidad de una mayor conciencia en materia de seguridad. Si bien el conocimiento unido a una biofundición tiene el potencial de sustentar estas asombrosas soluciones biológicas, algunas capacidades podrían permitir a quienes tengan intenciones perversas hacerlo. Para mitigar esta posibilidad, los científicos y los ingenieros deben considerar activamente las implicaciones de seguridad de su trabajo y, cuando sea necesario, adoptar medidas proactivas para hacer frente a riesgos adicionales. Como uno de los mecanismos para ello, las biofundiciones han surgido en numerosos lugares del mundo con la intención de tener un impacto positivo en la sociedad y de propiciar el crecimiento y la estabilidad económicos. Una red mundial de biofundiciones formará una comunidad colaborativa que contribuya a garantizar que las biofundiciones sean responsables, abiertas, transparentes y seguras en sus actividades.
Una alianza mundial de biofundiciones sin ánimo de lucro financiadas con fondos públicos, denominada Global Biofoundry Alliance (GBA), se ha establecido y puesto en marcha recientemente en Kobe (Japón) en mayo de 2019. La GBA ofrece la oportunidad de compartir conocimientos y desarrollar tecnología abierta para aumentar el descubrimiento, pero también para elaborar normas comunes y materiales de referencia. Cada biofundición es única y normalmente tiene cierto grado de especialización en el tipo de célula y el proceso que emplea. Trabajar juntas también permite ampliar la cartera de tipos celulares para garantizar mejor que se pueda identificar un «chasis» adecuado (utilizado para definir una célula para una aplicación específica) con una base de conocimientos existente sobre la que construir soluciones a medida. El conocimiento de la experiencia que ofrece cada instalación pone de relieve cuáles son las más capacitadas para abordar retos concretos en los diversos sectores de la medicina, los materiales, los productos químicos, los combustibles, la alimentación y el medio ambiente. Una comprensión compartida de la experiencia y las capacidades ofrecidas también abrirá la puerta a la posibilidad de colaboraciones internacionales únicas para desarrollar productos químicos, materiales y aplicaciones sanitarias de importancia mundial.
La unificación de las biofundiciones mundiales en una alianza de tecnología abierta también ofrece escalabilidad para avanzar rápidamente en proyectos de gran envergadura que superan la capacidad de cualquier entidad individual. La frecuencia de este requisito probablemente aumentará a medida que disminuyan los costes de la síntesis de ADN y los investigadores adopten objetivos aún más ambiciosos ante retos cada vez más complejos. Una alianza en red de biofundiciones compatibles permite un intercambio ágil de personas y conocimientos para colaborar en la resolución de estos retos. Dado que las colaboraciones se adaptan mejor a relaciones preexistentes, la alianza ofrece la oportunidad de que una red de personas más amplia desarrolle dichas relaciones en caso de que se requiera una colaboración de importancia mundial.
Un posible escenario en el que la colaboración mundial podría resultar crucial sería una pandemia mundial imprevista. Las biofundiciones podrían entonces colaborar en la producción de vacunas a gran escala, y la Alianza podría aprovecharse para ayudar. También ofrece oportunidades de formación e intercambio incomparables, incluidos programas de intercambio, desarrollo de tecnología abierta y pruebas colaborativas de protocolos comunes. Estas instalaciones están formando ahora a jóvenes investigadores en tecnologías que dominarán el panorama de la investigación y sustentarán la biofabricación en los años venideros.
Las biofundiciones ofrecen una oportunidad única de aprovechar el asombroso poder de construcción de la biología. Hay una gran cantidad de nuevos materiales, productos sostenibles y terapias innovadoras pendientes de desarrollo, que pueden transformar el mundo y cambiar la cara de la biofabricación mundial y sostenible. Una alianza mundial de biofundiciones también garantizará que este potencial productivo se maximice para todos y asegurará un estado de preparación ante amenazas sanitarias mundiales imprevistas.
