Los científicos han soñado durante mucho tiempo con descubrir la alquimia mediante la cual las sustancias químicas pueden convertirse en vida. El miércoles, un equipo de la Universidad de Minnesota anunció que había dado un paso importante hacia esa visión.
Combinando docenas de ingredientes, los investigadores han sintetizado células simples que se alimentan, crecen, se reproducen y compiten entre sí por el alimento. Si estas células aún no están completamente vivas, tienen la mayoría de las características de la vida.
«La vida no es binaria», afirmó Kate Adamala, bióloga sintética que dirigió la investigación. “Es por eso que dudo en llamar a esto ‘vivo’. No hay una línea clara, por mucho que nos encantaría que lo fuera”.
Hasta ahora, los científicos nunca habían dominado la receta de una célula que pudiera realizar tantas funciones, dijo John Glass, biólogo sintético del Instituto J. Craig Venter en La Jolla, California, que no participó en el estudio.
«Es deslumbrante que haya reunido todas estas cosas», dijo.
Drew Endy, biólogo sintético de la Universidad de Stanford, dijo: «Es una célula que se construyó, no que nació. Se construye, pero hace lo que hacen las células».
La Dra. Adamala llamó a su creación SpudCell, por su apariencia de papa. En lugar de patentarlo, ella y el Dr. Endy están organizando una comunidad de científicos para centrarse en hacer que SpudCells esté más vivo y adaptarlos a nuevos tipos de experimentos.
Ellos y sus colegas han fundado una organización de investigación sin fines de lucro que el Dr. Endy estima que gastará cientos de millones de dólares en este esfuerzo durante la próxima década. Se espera que se unan cientos de científicos.
«Vamos a recordar este momento», dijo Roseanna Zia, bióloga computacional de la Universidad de Missouri que no participó en el proyecto.
Dra. Adamala y sus colegas publicó una cuenta de 190 páginas de su trabajo en línea. La investigación se encuentra en revisión para su publicación en una revista científica.
Los científicos esperan que las células sintéticas puedan decirles cosas sobre la vida que las células naturales no pueden, incluidas preguntas tan básicas como cuántos genes son necesarios para una forma mínima de vida.
Pero algún día las células sintéticas también podrían diseñarse para hacer cosas que las células naturales no pueden hacer, como fabricar nuevos tipos de medicamentos o extraer grandes cantidades de dióxido de carbono de la atmósfera. En teoría, las SpudCells diseñadas podrían producir una amplia gama de proteínas que las células naturales no pueden producir, o incluso sustancias químicas tóxicas como el combustible para cohetes.
Ahora, “podemos pensar en hacer química que apenas entendemos”, dijo el Dr. Glass.
El problema de la vida tal como la conocemos: complejidad misteriosa y desordenada. Nuestro propio ADN contiene decenas de miles de genes, así como millones de interruptores moleculares que activan y desactivan esos genes. Científicos apenas tengo idea en cuanto a ¿Cuantos de esos pedazos de ADN son? haciendo. A menudo, un gen que creen comprender resulta estar realizando funciones distintas a las que los científicos esperaban.
Una forma de eludir esta complejidad es simplificar.
En la década de 1990, un equipo dirigido por el fallecido biólogo Craig Venter comenzó a estudiar un microbio que tenía menos de 1.000 genes. El equipo, ahora dirigido por el Dr. Glass, redujo el genoma del microbio a 525 genes esenciales.
En un artículo de 2016, el equipo informó que no sabía qué estaba haciendo un tercio de esos genes. El Dr. Glass y sus colegas han pasado la última década intentando resolver el enigma y todavía no pueden decir qué hacen 56 de ellos.
«Todavía hay tareas importantes que cada célula tiene que realizar y que no conocemos», dijo el Dr. Glass.
Otros investigadores abordaron el problema desde la dirección opuesta. En lugar de trabajar de arriba hacia abajo, se movieron de abajo hacia arriba, buscando combinar moléculas sin vida para producir una célula viva.
Desde la década de 1990, varios laboratorios han solucionado pequeños fragmentos de este problema. Algunos de ellos han perfeccionado recetas para hacer burbujas huecas a partir de moléculas aceitosas. Otros han encontrado formas de encapsular moléculas genéticas simples dentro de esas burbujas.
Pero los científicos tuvieron dificultades para unir estas piezas en sistemas más complejos, y mucho menos en algo que pudiera llamarse célula.
En los últimos años, el Dr. Adamala asumió uno de los desafíos fundamentales: la división celular. Una célula natural se divide con la ayuda de proteínas que se unen formando un anillo anclado a su pared interna. El anillo se enrolla más fuerte, partiendo la celda en dos.
Otras proteínas actúan como cabrestantes, moviendo el ADN y otras moléculas hacia el interior de las células en formación, de modo que tengan los ingredientes necesarios para seguir viviendo.
Al principio, el Dr. Adamala intentó construir una versión más simple del sistema natural. Pero luego decidió no imitar células reales en absoluto.
Los biofísicos habían descubierto que si pegaban proteínas en una membrana, creaban una presión que hacía que la membrana se doblara. La Dra. Adamala y su equipo crearon burbujas que podían atrapar proteínas que flotaban a su alrededor. Cuando una burbuja recogía suficientes proteínas, su superficie comenzaba a doblarse hacia adentro hasta estallar en dos.
Si bien la idea era simple, hacerla funcionar en el laboratorio requirió un año de experimentos. «Pero una vez que funciona, funciona», dijo el Dr. Adamala.
Ese éxito impulsó al equipo a intentar construir una célula sintética en su totalidad.
El primer paso fue crear un caldo de las moléculas necesarias para que una célula funcione. En última instancia, la receta incluía alrededor de cien tipos de proteínas y moléculas simples necesarias para reacciones químicas cruciales, como la producción de nuevas proteínas a partir de genes.
Los investigadores también proporcionaron a su célula sintética genes tomados de un virus y del omnipresente microbio Escherichia coli. Eligieron 36 genes para tareas básicas como copiar ADN.
Después de mezclar estos ingredientes en una sopa, los científicos agregaron los componentes básicos de las membranas. Se unieron espontáneamente formando burbujas, cada una envolviendo un poco de sopa.
Muchas de estas burbujas terminaron encerrando la combinación adecuada de genes, proteínas y otras moléculas, y comenzaron a llevar a cabo las reacciones químicas que se observan en las células reales.
Mientras las nuevas células flotaban en matraces, la Dra. Adamala y sus colegas añadieron comida. Las células sorbieron pequeñas moléculas a través de canales en sus superficies.
Los científicos también colocaron pequeñas burbujas cargadas de proteínas y otras moléculas que eran demasiado grandes para pasar por los canales. Al chocar y fusionarse con una de estas burbujas, la célula podría alimentarse de las golosinas que contiene.
A medida que las células se alimentaban, crecían. Y en tan sólo unas horas, eran lo suficientemente grandes como para dividirse.
Los científicos añadieron a los matraces una proteína especial que se adhería a la superficie de las células y las obligaba a doblarse hacia dentro. Una vez que las células se dividieron en dos, el par de nuevas células siguió creciendo.
Ahora los SpudCell crecieron, se alimentaron y se reprodujeron. Al final resultó que, las células incluso tenían una capacidad rudimentaria para evolucionar.
La Dra. Adamala y sus colegas crearon una versión mutante que se unía más estrechamente a las burbujas llenas de bocadillos que flotaban a su alrededor. Para probarlo, crearon una mezcla 50-50 de SpudCells originales y mutantes.
Las células compitieron durante cinco generaciones por el alimento. Finalmente, los mutantes superaron en número a los originales, lo que sugiere que estaban superando a los originales por la comida.
“Ese es el logro revolucionario aquí”, dijo el Dr. Zia. Los científicos podrán hacer competir entre sí varias células sintéticas y desarrollar rápidamente otras más sofisticadas.
A pesar de toda esta evidencia de vida, SpudCell todavía tiene algunas deficiencias importantes. Para empezar, no puede crear la fábrica molecular que produce nuevas proteínas, llamada ribosoma. Las células pueden portar todos los genes que necesitan para formar ribosomas, pero por alguna razón las partes no se unen.
Por ahora, la Dra. Adamala y sus colegas tienen que alimentar SpudCells con ribosomas ya preparados. Sin embargo, esta solución tiene fecha de caducidad: SpudCells puede seguir produciendo proteínas durante cinco a diez generaciones antes de que fallen cuando sus ribosomas se vuelvan defectuosos.
«No quiero decir que muere, pero deja de funcionar», dijo el Dr. Adamala.
Cuando el Dr. Adamala le mostró SpudCell al Dr. Endy el año pasado, quedó tan asombrado que decidió ayudarla a fundar Biotic, la organización sin fines de lucro destinada a crear una comunidad de investigadores de SpudCell.
«Estoy dedicando el trabajo de mi vida a esto», dijo el Dr. Endy. Una de las primeras tareas de Biotic será facilitar a otros científicos la creación de SpudCells.
La Dra. Adamala puede crear un nuevo lote de ellos en su propio laboratorio en aproximadamente un día. Pero eso es sólo porque tiene congeladores llenos de proteínas purificadas y una comprensión íntima de cada paso de su receta. Biotic espera ofrecer a los científicos recetas más sencillas y proporcionar los ingredientes necesarios.
El Dr. Endy espera que las herramientas de código abierto alienten a los científicos a colaborar en la construcción de nuevos tipos de SpudCells con más características definitorias de la vida, como la capacidad de producir sus propios ribosomas y dividirse indefinidamente.
«Es completamente factible», dijo el Dr. Glass.
Los investigadores bióticos ya están planeando su primera reunión, que se celebrará en septiembre en Filadelfia. En lo alto de su lista de prioridades estará la formalización de planes para salvaguardar esta área de investigación.
Por ahora, la célula sintética sólo puede sobrevivir unas pocas generaciones con una dieta especial de laboratorio. Pero las versiones futuras pueden ser más sólidas, lo que plantea la posibilidad de que algún día alguien use SpudCells de manera poco ética, tal vez incluso para fabricar un arma.
El Dr. Endy sostiene que una comunidad de investigación de código abierto estará mejor preparada para evitar que eso suceda. «Podemos tener estas conversaciones ahora, en lugar de esperar a que alguien más las haga, y luego todos reaccionamos», dijo.
El Dr. Endy compara SpudCells con una versión biológica del volante Wright, el tosco avión que los hermanos Wright utilizaron para realizar el primer vuelo controlado sostenido en 1903, marcando el comienzo de la era de los aviones.
«El avión Wright que vuela durante 12 segundos no te da un 737», dijo el Dr. Endy. «Esto es sólo el comienzo».
