La biología sintética es un campo médico emergente que ofrece aplicaciones para diagnósticos, terapéuticos y desarrollo de vacunas para múltiples enfermedades.
Los diagnósticos actuales para enfermedades bacterianas infecciosas suelen ser lentos en proporcionar resultados, lo que retrasa la atención adecuada. Además, muchos tipos de bacterias se han vuelto resistentes a los antibióticos existentes en los últimos años.
Esta tecnología es, sumamente importante, especialmente dada la aparición creciente de nuevas enfermedades infecciosas. Se espera que el mercado global de biología sintética alcance más de 55 millones de dólares para 2030 debido a la creciente demanda, especialmente de medicina personalizada.1
¿Qué es la biología sintética?
La biología sintética utiliza una combinación de distintas ciencias, por ejemplo: biología, ingeniería, genética, química e informática para alterar la función y la estructura de microorganismos como las bacterias. Las bacterias genéticamente alteradas, a las que se refiere como bióticos sintéticos, pueden ser creadas utilizando partes biológicas nuevas o rediseñadas, que son secuencias de ADN que codifican para funciones biológicas como el transporte de oxígeno a través del cuerpo humano. Estas secuencias de ADN recién creadas se insertan luego en el genoma de un organismo.
Un biótico sintético está compuesto por un organismo chasis, uno o más componentes genéticos como secuencias de ADN diseñadas, y otros elementos auxiliares como transportadores.
Las bacterias comensales, como las cepas de Escherichia coli (E.coli) desarrolladas en laboratorio, se utilizan frecuentemente como chasis porque son conocidas por la Administración de Alimentos y Medicamentos de EE. UU. (FDA) y la Agencia Europea de Medicamentos (EMA) y, por lo tanto, es más probable que se aprueben para su uso en bióticos sintéticos.2
El método de administración, que puede ser mediante aplicación tópica en la piel o por inyección intradérmica, también requiere consideración. La erradicación posterior del biótico sintético tras la entrega del medicamento es crítica; las bacterias genéticamente alteradas están diseñadas para no tener resistencia a los antibióticos y pueden ser destruidas tras la administración de antibióticos.
Pruebas diagnósticas
La identificación tardía de bacterias infecciosas en el diagnóstico de enfermedades puede resultar en un tratamiento antibiótico inapropiado y, en última instancia, llevar a una mortalidad temprana, particularmente a la sepsis. Se estima que el índice de mortalidad es tan alto como el 30% cuando un antibiótico se aplica incorrectamente, mientras que cuando se utiliza el tratamiento adecuado, este baja a un 12%-28%.
Tradicionalmente, el cultivo de bacterias para diagnosticar enfermedades y permitir un tratamiento antibiótico adecuado puede llevar 24-48 horas o más. Por otra parte, los diagnósticos de biología sintética pueden identificar rápidamente y con mayor precisión las infecciones bacterianas.
Los bacteriófagos, más comúnmente referidos como fagos, son virus que destruyen las bacterias. Los fagos genéticamente modificados, llamados fluoromicobacteriófagos, han sido desarrollados para diagnósticos basados en fagos para identificar patógenos como Staphylococcus aureus, Listeria, E. coli y Bacillus anthracis (ántrax).
Los fagos modificados pueden acortar significativamente el tiempo de detección del patógeno. Por ejemplo, el cultivo de tuberculosis (TB), que normalmente puede llevar hasta 10 semanas, con este método requiere tan solo 48 horas.
FastPlaque TB y FastPlaque-Response son ambas plataformas de diagnóstico basadas en fagos disponibles comercialmente, con una sensibilidad reportada del 95% y una especificidad del 97%, que pueden identificar la TB y determinar si la cepa de TB es resistente al antibiótico rifampicina. KeyPath, una prueba de cultivo de sangre S. aureus resistente a la meticilina (MRSA)/S. aureus susceptible a la meticilina (MSSA) aprobada por la FDA, puede detectar S. aureus y diferenciar MRSA en 5.5 horas, en comparación con los métodos actuales de cultivo de S. aureus que pueden llevar más de 48 horas. Esta prueba tiene una sensibilidad y especificidad del 91.8% y 98.3%, respectivamente.3
Los investigadores han desarrollado una nueva herramienta de diagnóstico rápida y de bajo costo para detectar el virus Zika. Esta tecnología utiliza interruptores de toehold, una clase de ARN ingenierizados adecuados para diagnósticos biomédicos, para detectar el genoma de ARN del virus Zika en una plataforma de papel liofilizado. Las plataformas basadas en papel se pueden conservar durante más de un año a temperatura ambiente antes de ser reactivadas al rehidratarse.4 Las pruebas diagnósticas basadas en biología sintética también están en desarrollo para diagnosticar rápidamente enfermedades infecciosas como la sepsis fúngica y la neumonía, que pueden llevar más de 48 horas para diagnosticar con una prueba de cultivo. Otros métodos nuevos incluyen fagos reporteros bioluminiscentes, que pueden reducir el tiempo de diagnóstico de la infección bacteriana a minutos.3
Los biosensores de células completas son dispositivos compuestos por células bacterianas modificadas que responden a químicos específicos. Tienen usos potenciales en la monitorización de la salud individual a través de materiales portátiles o muestras de aliento. Las aplicaciones para estos biosensores portátiles podrían incluir la detección de enfermedades y alertar al personal médico sobre signos de enfermedad. Los desarrollos en biología sintética también incluyen materiales utilizados en la curación de heridas que pueden detectar y combatir infecciones bacterianas como MRSA.5
Terapéutica
Los terapéuticos bacterianos se clasifican como productos bio-terapéuticos vivos (LBPs, por sus siglas en inglés). Son organismos vivos diseñados para tratar, curar o prevenir una enfermedad, pero no incluyen vacunas. Las bacterias genéticamente modificadas se consideran agentes biológicos y se clasifican como LBPs recombinantes, que la FDA regula a través del Centro de Evaluación e Investigación de Productos Biológicos.2
Uno de los mayores avances en la terapéutica de la biología sintética ha ocurrido en el tratamiento de la malaria. El ácido artemisinico derivado de la planta Artemisia annua (conocida como ajenjo dulce) se purifica y se convierte en artemisinina para fabricar medicamentos contra la malaria. Los científicos también están modificando las vías metabólicas de Saccharomyces cerevisiae, mejor conocida como levadura de panadería, para convertir los azúcares en ácido artemisinico para hacer artemisinina. Como resultado, los medicamentos contra la malaria ahora pueden producirse a una escala mucho mayor, lo que reduce el costo general de producción.7
La bacteria Salmonella ha sido genéticamente modificada para desencadenar el sistema inmunológico para atacar las células cancerosas. Dado que las bacterias residen en las células cancerosas, son un recipiente ideal para que los productos farmacéuticos apunten a sitios específicos en el cuerpo. Las pruebas iniciales in vivo muestran que este tratamiento destruye el 60% de los tumores.7
Las proteínas ahora pueden ser modificadas para crear nuevos terapéuticos, incluyendo el tratamiento de la fenilcetonuria (PKU). Un trastorno hereditario raro causado por un defecto genético, la enfermedad disminuye el metabolismo del aminoácido fenilalanina (Phe),1 lo que lleva a graves problemas de salud. Los avances en biología sintética tienen el potencial de descomponer Phe con un biótico sintético administrado por vía oral llamado SYNB1618, que es un derivado de la cepa de E. coli Nissle 1917. Actualmente, el tratamiento se encuentra en ensayos clínicos de fase 2 para evaluar su eficacia y seguridad en adultos con PKU.2
Desarrollo de vacunas
Los investigadores también están aplicando la biología sintética al desarrollo de vacunas. Se crea una versión sintética de un virus, conocida como clon infeccioso, y su ADN se altera eliminando y añadiendo genes para determinar cómo afecta a la virulencia. La investigación ayuda a acelerar el diseño de vacunas de ingeniería que contienen hebras sintéticas de ARN o ADN, que luego pueden ser producidas y escaladas rápidamente sin requerir refrigeración. Por ejemplo, INO-4800, actualmente en ensayos clínicos de fase 1, es una vacuna profiláctica contra el SARS-CoV-2 que funciona entregando genes sintéticos en las células de una persona.6
Riesgos
La alteración de genes y su introducción en los humanos plantea varios riesgos potenciales. Por ejemplo, los organismos artificiales podrían ser manipulados para crear amenazas químicas y biológicas. En 2010, el presidente de los Estados Unidos, Barack Obama, pidió a la Comisión de Bioética de los Estados Unidos que revisara el campo de la biología sintética. La Comisión finalmente no impuso restricciones importantes a la investigación, pero instó a los investigadores a aprovechar esta nueva tecnología para el bien público y proteger la seguridad pública.8
Los investigadores están intentando diseñar organismos que sean menos propensos a desencadenar una respuesta inmunológica adversa, lo que puede dificultar la capacidad de la tecnología para funcionar eficazmente. La exposición a bióticos sintéticos podría causar otros peligros médicos desconocidos para la salud humana. Por esta razón, se han desarrollado “interruptores de muerte” como medida de biocontención para asegurar que las cepas bacterianas morirán sin la presencia de químicos específicos.2,5
Conclusión
Al igual que muchas terapias médicas novedosas que se encuentran en ensayos clínicos, los bióticos sintéticos muestran un gran potencial para prevenir, diagnosticar y tratar enfermedades, lo que puede tener un impacto significativo en las tasas de mortalidad y morbilidad en el futuro. Además, la biología sintética también ofrece la posibilidad de mejorar la disponibilidad y eficacia de los tratamientos, así como proporcionar pruebas de diagnóstico rápido para infecciones bacterianas.
Sin embargo, debido al riesgo de un uso inapropiado, es importante implementar salvaguardias para prevenir posibles amenazas químicas y biológicas y garantizar que esta tecnología avance en beneficio de todos. Si estas nuevas terapias logran ingresar al mercado en los próximos años, es probable que desempeñen un papel transformador en la medicina moderna.
