Biología sintética

El subcampo de la bioingeniería se centra en la creación de nuevas vías metabólicas y reguladoras, y actualmente es el que probablemente atrae la atención de la mayoría de los investigadores y la financiación. Su principal motivación es el deseo de establecer la biotecnología como una disciplina de ingeniería legítima. Al referirse a esta área de la biología sintética, el término «bioingeniería» no debe confundirse con la «ingeniería genética tradicional», que implica la introducción de un único transgén en el organismo deseado. Los bioingenieros adaptaron la biología sintética para proporcionar una perspectiva sustancialmente más integrada sobre cómo modificar organismos o sistemas metabólicos. ^{[ 41 ]}

Un ejemplo típico de ingeniería genética de un solo gen es la inserción del gen de la insulina humana en bacterias para crear proteínas transgénicas. La creación de vías de señalización completamente nuevas, que contienen numerosos genes y componentes reguladores (como un circuito oscilador para iniciar la producción periódica de la proteína verde fluorescente (GFP) en células de mamíferos), se conoce como bioingeniería dentro de la biología sintética. ^{[ 41 ]}

Mediante la utilización de módulos metabólicos y reguladores simplificados y abstractos, así como otras partes estandarizadas que pueden combinarse libremente para crear nuevas vías o organismos, la bioingeniería busca crear sistemas biológicos innovadores. Además de generar un sinfín de oportunidades para nuevas aplicaciones, se prevé que esta estrategia haga que la bioingeniería sea más predecible y controlable que la biotecnología tradicional. ^{[ 41 ]}

La creación de animales con un genoma (mínimo) fabricado químicamente es otra faceta de la biología sintética que se destaca en la genómica sintética. Esta área de la biología sintética ha sido posible gracias a los continuos avances en la tecnología de síntesis de ADN, que ahora permite producir moléculas de ADN con miles de pares de bases a un costo razonable. El objetivo es combinar estas moléculas para formar genomas completos y trasplantarlos a células vivas, reemplazando el genoma de la célula huésped y reprogramando su metabolismo para que realice diferentes funciones. ^{[ 41 ]}

Los científicos ya habían demostrado el potencial de este enfoque mediante la creación de virus infecciosos a partir de la síntesis de los genomas de múltiples virus. Estos importantes avances en ciencia y tecnología suscitaron inicialmente preocupación pública respecto a los riesgos asociados a esta tecnología. ^{[ 41 ]}

Un genoma simple también podría funcionar como un "genoma base" que podría ampliarse rápidamente mediante la inclusión de genes diseñados para tareas específicas. Estas "criaturas base" serían más adecuadas para la inserción de nuevas funciones que los organismos silvestres, ya que tendrían menos vías biológicas que podrían entrar en conflicto con las nuevas funcionalidades, además de contar con sitios de inserción específicos. La genómica sintética busca crear criaturas con "arquitecturas" novedosas, de forma similar al método de bioingeniería. Adopta una perspectiva integradora u holística del organismo. En este caso, el objetivo es la creación de genomas base a partir de genes necesarios y otras secuencias de ADN requeridas, en lugar del diseño de vías metabólicas o reguladoras basadas en criterios abstractos. ^{[ 41 ]}

La generación in vitro de células sintéticas es la rama de protocélulas de la biología sintética. Las vesículas lipídicas, que poseen todos los componentes necesarios para funcionar como un sistema completo, pueden utilizarse para crear estas células artificiales. En última instancia, estas células sintéticas deben cumplir los requisitos para ser consideradas vivas, a saber, la capacidad de autorreplicación, automantenimiento y evolución. La técnica de protocélulas tiene este como objetivo final; sin embargo, existen otros pasos intermedios que no cumplen con todos los criterios de una célula viva. Para llevar a cabo una función específica, estas vesículas lipídicas contienen extractos celulares o conjuntos más específicos de macromoléculas biológicas y estructuras complejas, como enzimas, ácidos nucleicos o ribosomas. Por ejemplo, los liposomas pueden realizar reacciones en cadena de la polimerasa particulares o sintetizar una proteína específica. ^{[ 41 ]} Las innovaciones en biología sintética han llevado al desarrollo de andamios similares a orgánulos que utilizan condensados ​​biomoleculares separados en fases para compartimentalizar procesos celulares en Escherichia coli, como los TEARS basados ​​en ARN. ^{[ 42 ]} Estos orgánulos sin membrana pueden diseñarse para servir de andamiaje a las vías metabólicas, ^{[ 43 ]} o permitir la purificación de proteínas sin materiales de cromatografía externos tradicionales mediante un flujo de trabajo denominado PandaPure. ^{[ 44 ]}

La biología sintética de protocélulas acerca la vida artificial un paso más a la realidad al sintetizar in vitro no solo el genoma, sino también cada componente de la célula, a diferencia del enfoque de genómica sintética, que se basa en forzar a una célula natural a ejecutar las instrucciones codificadas por el genoma sintético introducido. Los biólogos sintéticos en este campo consideran su trabajo como un estudio fundamental de las condiciones necesarias para la existencia de la vida y su origen, más que en cualquier otra técnica. Sin embargo, la técnica de protocélulas también se presta bien a aplicaciones; al igual que otros subproductos de la biología sintética, las protocélulas podrían emplearse para la fabricación de biopolímeros y medicamentos. ^{[ 41 ]}

El objetivo de la estrategia de "biología molecular no natural" es crear nuevas variedades de vida basadas en un tipo diferente de biología molecular, como nuevos tipos de ácidos nucleicos o un nuevo código genético. La creación de nuevos tipos de nucleótidos que puedan integrarse en ácidos nucleicos únicos podría lograrse modificando ciertos componentes del ADN o ARN, como las bases o los azúcares de la cadena principal. ^{[ 41 ]}

El código genético normal se está alterando mediante la inserción de codones cuádruples o el cambio de algunos codones para codificar nuevos aminoácidos, lo que permitiría posteriormente el uso de aminoácidos no naturales con características únicas en la producción de proteínas. Adaptar la maquinaria enzimática de la célula a ambos enfoques representa un problema científico y tecnológico. ^{[ 41 ]}

Un nuevo tipo de vida se formaría mediante organismos con un genoma basado en ácidos nucleicos sintéticos o en un sistema de codificación totalmente nuevo para aminoácidos sintéticos. Este nuevo estilo de vida tendría algunos beneficios, pero también algunos peligros. Al ser liberados al medio ambiente, no habría transferencia horizontal de genes ni cruzamiento genético con especies naturales. Además, estos organismos sintéticos podrían diseñarse para requerir materiales no naturales para la síntesis de proteínas o ácidos nucleicos, lo que les impediría prosperar en la naturaleza si escaparan accidentalmente. ^{[ 41 ]}

Por otro lado, si estos organismos lograran sobrevivir fuera de un espacio controlado, podrían tener una ventaja particular sobre los organismos naturales, ya que serían resistentes a organismos vivos depredadores o virus naturales, lo que podría conducir a una propagación incontrolada de los organismos sintéticos. ^{[ 41 ]}

La biología sintética in silico y sus diversas estrategias están interconectadas. El desarrollo de diseños complejos, ya sean vías metabólicas, procesos celulares fundamentales o genomas base, es una de las principales dificultades que enfrentan los cuatro métodos de biología sintética descritos anteriormente. Por ello, la biología sintética cuenta con una sólida rama in silico, similar a la biología de sistemas, cuyo objetivo es crear modelos computacionales para el diseño de componentes biológicos comunes o circuitos sintéticos, que son esencialmente simulaciones de organismos sintéticos. ^{[ 41 ]}

La aplicación práctica de simulaciones y modelos mediante la bioingeniería u otros campos de la biología sintética es el objetivo a largo plazo de la biología sintética in silico. Muchas de las simulaciones computacionales de organismos sintéticos realizadas hasta el momento presentan poca o ninguna analogía directa con los seres vivos. Por ello, la biología sintética in silico se considera un grupo aparte en este artículo. ^{[ 41 ]}

Resulta sensato integrar las cinco áreas bajo el paraguas de la biología sintética como un área de estudio unificada. Si bien se centran en diversas facetas de la vida, como la regulación metabólica, los elementos esenciales o la composición bioquímica, estas cinco estrategias persiguen el mismo objetivo: crear nuevos tipos de organismos vivos. Además, las diversas metodologías parten de numerosos enfoques metodológicos, lo que da lugar a la diversidad de enfoques de la biología sintética. ^{[ 41 ]}

La biología sintética es un campo interdisciplinario que se nutre e inspira en diversas disciplinas científicas, no en un único campo o técnica. Todos los biólogos sintéticos comparten el objetivo fundamental de diseñar y producir nuevas formas de vida, a pesar de emplear diversas metodologías, técnicas e instrumentos de investigación. Cualquier evaluación de la biología sintética, ya sea que examine consideraciones éticas, legales o de seguridad, debe tener en cuenta que, si bien algunas preguntas, riesgos y problemas son propios de cada técnica, en otras circunstancias, debe considerarse la biología sintética en su conjunto. ^{[ 41 ]}

Consiste en utilizar técnicas de ingeniería metabólica y genética para impartir nuevas funciones a las células vivas. ^{[ 47 ]} Al comparar genes universales y eliminar los no esenciales para crear un genoma básico, este método busca reducir la complejidad de las células existentes. Estas iniciativas se basan en la hipótesis de una génesis única para la vida celular, el llamado Último Ancestro Común Universal , que apoya la presencia de un genoma mínimo universal que dio origen a todos los seres vivos. Sin embargo, estudios recientes plantean la posibilidad de que las células eucariotas y procariotas que componen el árbol de la vida hayan evolucionado a partir de un grupo de células primordiales en lugar de una sola célula. Como resultado, aunque la búsqueda del "genoma mínimo", similar al Santo Grial, se ha vuelto esquiva, la eliminación de varias funciones no esenciales perjudica la aptitud de un organismo y conduce a genomas "frágiles". ^{[ 45 ]}

Este enfoque implica la creación de nuevos sistemas biológicos in vitro mediante la unión de componentes biomoleculares "no vivos", ^{[ 48 ]} a menudo con el objetivo de construir una célula artificial .

La reproducción, la replicación y el ensamblaje son tres principios autoorganizativos cruciales que se tienen en cuenta para lograr este objetivo. Las células, que constan de un contenedor y un metabolismo, se consideran "hardware" en la definición de reproducción, mientras que la replicación ocurre cuando un sistema duplica una copia perfecta de sí mismo, como en el caso del ADN, que se considera "software". Cuando vesículas o contenedores (como los coacervados de Oparin), formados por diminutas gotas de moléculas orgánicas como lípidos o liposomas, y estructuras similares a membranas compuestas de fosfolípidos, se agregan y se ensamblan. ^{[ 45 ]}

El estudio de protocélulas coexiste con otras iniciativas de biología sintética in vitro que buscan producir células mínimas, vías metabólicas o "proteínas nunca nacidas", así como imitar funciones fisiológicas como la división y el crecimiento celular. Recientemente, se diseñó un sistema libre de células capaz de autosostenerse utilizando CO₂ _mediante la integración ascendente del metabolismo con la expresión génica. ^{[ 49 ]}

La ingeniería paralela también se conoce como bioingeniería. El código genético básico es la base de la investigación en ingeniería paralela, que utiliza biomoléculas convencionales como los ácidos nucleicos y los 20 aminoácidos para construir sistemas biológicos. Para diversas aplicaciones en biocomputación, bioenergía, biocombustibles, biorremediación, optogenética y medicina, implica la estandarización de componentes de ADN, la ingeniería de interruptores, biosensores, circuitos genéticos, compuertas lógicas y operadores de comunicación celular. Para dirigir la expresión de dos o más genes y/o proteínas, la mayoría de estas aplicaciones suelen depender del uso de uno o más vectores (o plásmidos). Las pequeñas unidades de ADN circular de doble cadena, conocidas como plásmidos, que se encuentran principalmente en células procariotas pero que también pueden detectarse ocasionalmente en células eucariotas, pueden replicarse de forma autónoma del ADN cromosómico. ^{[ 45 ]}

También se conoce como ingeniería perpendicular. Esta estrategia, también denominada "biología sintética química", busca principalmente alterar o ampliar los códigos genéticos de los sistemas vivos utilizando bases de ADN y/o aminoácidos artificiales. Este subcampo también está conectado con la xenobiología , un campo de reciente desarrollo que combina la química de sistemas, la biología sintética, la exobiología y la investigación sobre los orígenes de la vida. En las últimas décadas, los investigadores han creado compuestos estructuralmente similares a las bases canónicas del ADN para comprobar si estas moléculas "extrañas" o xeno (XNA) pueden emplearse como portadoras de información genética. De forma similar, fragmentos no canónicos han sustituido al azúcar del ADN ( desoxirribosa ). ^{[ 45 ]} Para expresar información distinta a la de los 20 aminoácidos convencionales de las proteínas, el código genético puede alterarse o ampliarse. Un método consiste en incorporar un aminoácido no natural, no canónico o xeno (XAA) específico en una o más proteínas en uno o más lugares precisos utilizando enzimas ortogonales y un adaptador de ARN de transferencia de otro organismo. Mediante la "evolución dirigida", que implica ciclos repetidos de mutagénesis genética (producción de diversidad genotípica), selección (de un rasgo fenotípico específico) y amplificación de una variante mejor para la siguiente ronda iterativa, se producen enzimas ortogonales. Numerosos XAA se han incorporado eficazmente a proteínas en criaturas más complejas como gusanos y moscas, así como en bacterias, levaduras y líneas celulares humanas. Como resultado de cambios en la secuencia canónica del ADN, la evolución dirigida también permite el desarrollo de ribosomas ortogonales, lo que facilita la incorporación de XAA a proteínas o la creación de "vida espejo", o sistemas biológicos que contienen biomoléculas formadas por enantiómeros con diferentes orientaciones quirales. ^{[ 45 ]}

Impulsados ​​por drásticas disminuciones en los costos de síntesis de oligonucleótidos ("oligos") y el advenimiento de la PCR, los tamaños de las construcciones de ADN a partir de oligos han aumentado al nivel genómico. ^{[ 52 ]} En 2000, los investigadores informaron la síntesis del genoma del virus de la hepatitis C de 9,6 kbp (kilo bp) a partir de 60 a 80-meros sintetizados químicamente. ^{[ 53 ]} En 2002, investigadores de la Universidad de Stony Brook lograron sintetizar el genoma del poliovirus de 7741 bp a partir de su secuencia publicada, produciendo el segundo genoma sintético, en un lapso de dos años. ^{[ 54 ]} En 2003, el genoma de 5386 bp del bacteriófago Phi X 174 se ensambló en aproximadamente dos semanas. ^{[ 55 ]} En 2006, el mismo equipo, en el Instituto J. Craig Venter , construyó y patentó un genoma sintético de una nueva bacteria mínima, Mycoplasma laboratorium , y estaba trabajando para que funcionara en una célula viva. ^{[ 56 ] [ 57 ] [ 58 ]}

En 2007, se informó que varias empresas ofrecían la síntesis de secuencias genéticas de hasta 2000 pares de bases (pb) de longitud, por un precio de aproximadamente $1 por pb y un tiempo de entrega de menos de dos semanas. ^{[ 59 ]} Los oligonucleótidos extraídos de un chip de ADN fabricado mediante fotolitografía o inyección de tinta , combinados con PCR y corrección de errores de desajuste de ADN, permiten cambios a gran escala y económicos de codones en sistemas genéticos para mejorar la expresión génica o incorporar nuevos aminoácidos (véanse los proyectos de células sintéticas de George M. Church y Anthony Forster. ^{[ 60 ] [ 61 ]} ) . Esto favorece un enfoque de síntesis desde cero.

Además, el sistema CRISPR/Cas ha surgido como una técnica prometedora para la edición genética. Se describió como "la innovación más importante en el campo de la biología sintética en casi 30 años". ^{[ 62 ]} Mientras que otros métodos tardan meses o años en editar secuencias genéticas, CRISPR acelera ese tiempo a semanas. ^{[ 62 ]} Sin embargo, debido a su facilidad de uso y accesibilidad, ha generado preocupaciones éticas, especialmente en torno a su uso en biohacking . ^{[ 63 ] [ 64 ] [ 65 ]}

La secuenciación del ADN determina el orden de las bases nucleotídicas en una molécula de ADN. Los biólogos sintéticos utilizan la secuenciación del ADN en su trabajo de diversas maneras. En primer lugar, los esfuerzos de secuenciación del genoma a gran escala siguen proporcionando información sobre organismos que se dan de forma natural. Esta información constituye un rico sustrato a partir del cual los biólogos sintéticos pueden construir componentes y dispositivos. En segundo lugar, la secuenciación puede verificar que el sistema fabricado sea el previsto. En tercer lugar, la secuenciación rápida, económica y fiable puede facilitar la detección e identificación rápidas de sistemas y organismos sintéticos. ^{[ 66 ]}

Esta es la capacidad de un sistema o componente para operar sin referencia a su contexto. ^{[ 67 ]}

Las partes de ADN estandarizadas más utilizadas ^{[ 68 ] : 22–23} son los plásmidos BioBrick , inventados por Tom Knight en 2003. ^{[ 14 ]} Los BioBricks se almacenan en el Registro de Partes Biológicas Estándar en Cambridge, Massachusetts. El estándar BioBrick ha sido utilizado por decenas de miles de estudiantes en todo el mundo en la competencia internacional de Máquinas Genéticamente Modificadas (iGEM). El estándar de ensamblaje BioBrick 10 promueve la modularidad al permitir que las secuencias codificantes de BioBrick se empalmen e intercambien utilizando las enzimas de restricción EcoRI o XbaI (prefijo BioBrick) y SpeI y PstI (sufijo BioBrick). ^{[ 68 ] : 22–23}

La superposición de secuencias entre dos elementos genéticos ( genes o secuencias codificantes ), denominada genes superpuestos , puede impedir su manipulación individual. ^{[ 69 ]} Para aumentar la modularidad del genoma, la práctica de la refactorización del genoma o la mejora de "la estructura interna de un sistema existente para su uso futuro, manteniendo simultáneamente la función del sistema externo" ^{[ 70 ]} se ha adoptado en diversas disciplinas de la biología sintética. ^{[ 69 ]} Algunos ejemplos notables de refactorización incluyen el clúster de fijación de nitrógeno ^{[ 71 ]} y el sistema de secreción de tipo III ^{[ 72 ]} junto con los bacteriófagos T7 ^{[ 70 ]} y ΦX174. ^{[ 73 ]}

Si bien el ADN es fundamental para el almacenamiento de información, una gran parte de las actividades celulares son llevadas a cabo por proteínas. Existen herramientas que permiten enviar proteínas a regiones específicas de la célula y unir diferentes proteínas entre sí. La fuerza de interacción entre las proteínas asociadas debe poder ajustarse, desde una duración de segundos (deseable para eventos de señalización dinámicos) hasta una interacción irreversible (deseable para la estabilidad del dispositivo o su resistencia a condiciones adversas). Interacciones como las de hélices enrolladas , ^{[ 74 ]} la unión de dominios SH3 a péptidos ^{[ 75 ]} o SpyTag/SpyCatcher ^{[ 76 ]} ofrecen dicho control. Además, es necesario regular las interacciones proteína-proteína en las células, por ejemplo, mediante la luz (utilizando dominios sensibles a la luz, el oxígeno y el voltaje ) o moléculas pequeñas permeables a la célula mediante dimerización inducida químicamente . ^{[ 77 ]}

En una célula viva, los motivos moleculares están integrados en una red más amplia con componentes ascendentes y descendentes. Estos componentes pueden alterar la capacidad de señalización del módulo de modelado. En el caso de módulos ultrasensibles, la contribución de sensibilidad de un módulo puede diferir de la sensibilidad que el módulo mantiene de forma aislada. ^{[ 78 ] [ 79 ]}

Los modelos informan el diseño de sistemas biológicos diseñados al predecir mejor el comportamiento del sistema antes de su fabricación. La biología sintética se beneficia de mejores modelos de cómo las moléculas biológicas se unen a los sustratos y catalizan reacciones, cómo el ADN codifica la información necesaria para especificar la célula y cómo se comportan los sistemas integrados multicomponentes. Los modelos multiescala de redes reguladoras de genes se centran en aplicaciones de biología sintética. Las simulaciones pueden modelar todas las interacciones biomoleculares en la transcripción , traducción , regulación e inducción de redes reguladoras de genes. ^{[ 80 ] [ 81 ]}

Solo un modelado exhaustivo permite explorar la expresión génica dinámica de forma adecuada para la investigación y el diseño, debido a la gran cantidad de especies involucradas y la complejidad de sus relaciones. Las simulaciones dinámicas de toda la interconexión biomolecular implicada en la regulación, el transporte, la transcripción, la inducción y la traducción permiten detallar los diseños a nivel molecular. Esto contrasta con el modelado de redes artificiales a posteriori. ^{[ 81 ]}

La microfluídica , en particular la microfluídica de gotas, es una herramienta emergente que se utiliza para construir nuevos componentes, así como para analizarlos y caracterizarlos. ^{[ 82 ] [ 83 ]} Se emplea ampliamente en ensayos de cribado. ^{[ 84 ]}

Los estudios han considerado los componentes del mecanismo de transcripción del ADN . Uno de los objetivos de los científicos que crean circuitos biológicos sintéticos es poder controlar la transcripción del ADN sintético en organismos unicelulares ( procariotas ) y en organismos multicelulares ( eucariotas ). Un estudio probó la capacidad de ajuste de los factores de transcripción sintéticos (sTF) en áreas de producción de transcripción y capacidad de cooperación entre múltiples complejos de factores de transcripción. ^{[ 85 ]} Los investigadores lograron mutar regiones funcionales llamadas dedos de zinc , el componente específico del ADN de los sTF, para disminuir su afinidad por sitios específicos de secuencias de ADN operadoras y, por lo tanto, disminuir la actividad específica del sitio asociada del sTF (generalmente regulación transcripcional). Además, utilizaron los dedos de zinc como componentes de sTF formadores de complejos, que son los mecanismos de traducción eucariotas . ^{[ 85 ]}

Un biosensor se refiere a un organismo modificado genéticamente, generalmente una bacteria, capaz de detectar algún fenómeno ambiental, como la presencia de metales pesados ​​o toxinas. Un ejemplo de este tipo de sistema es el operón Lux de Aliivibrio fischeri , ^{[ 86 ]} que codifica la enzima responsable de la bioluminiscencia bacteriana y puede ubicarse después de un promotor respondedor para expresar los genes de luminiscencia en respuesta a un estímulo ambiental específico. ^{[ 87 ]} Un sensor creado consistió en un recubrimiento bacteriano bioluminiscente sobre un chip fotosensible para detectar ciertos contaminantes derivados del petróleo . Cuando las bacterias detectan el contaminante, emiten luminiscencia. ^{[ 88 ]} Otro ejemplo de un mecanismo similar es la detección de minas terrestres mediante una cepa reportera de E. coli modificada genéticamente , capaz de detectar TNT y su principal producto de degradación, DNT , y, en consecuencia, producir una proteína verde fluorescente ( GFP ). ^{[ 89 ]}

Los organismos modificados pueden detectar señales ambientales y enviar señales de salida que pueden detectarse y servir para fines diagnósticos. Se han utilizado cohortes de microbios. ^{[ 90 ]}

Los biosensores también podrían utilizarse para detectar firmas patógenas, como las del SARS-CoV-2 , y pueden ser portátiles . ^{[ 91 ] [ 92 ]}

Para detectar y reaccionar ante diversos factores ambientales transitorios, las células han desarrollado una amplia gama de circuitos reguladores, desde transcripcionales hasta postraduccionales. Estos circuitos están compuestos por módulos transductores que filtran las señales y activan una respuesta biológica, así como por secciones sensibles cuidadosamente diseñadas que unen analitos y regulan los umbrales de detección de señales. La modularidad y la selectividad se programan en los circuitos de biosensores a nivel transcripcional, traduccional y postraduccional, para lograr el delicado equilibrio entre los dos módulos de detección básicos. ^{[ 67 ]}

Sin embargo, no todos los productos nutricionales sintéticos son productos alimenticios para animales; por ejemplo, a partir de 2021, también existen productos de café sintético que, según se informa, están próximos a su comercialización. ^{[ 105 ] [ 106 ] [ 107 ]} Otros campos de investigación y producción similares basados ​​en la biología sintética que pueden utilizarse para la producción de alimentos y bebidas son:

• Cultivos alimentarios microbianos modificados genéticamente (por ejemplo, para polvo de proteína basado en energía solar) ^{[ 108 ] [ 109 ]}
• Síntesis artificial sin células (por ejemplo, almidón sintético ; ^{[ 110 ] [ 111 ]} )

Las células microbianas fotosintéticas se han utilizado como un paso para la producción sintética de seda de araña . ^{[ 112 ] [ 113 ]}

Una computadora biológica se refiere a un sistema biológico diseñado que puede realizar operaciones similares a las de una computadora, lo cual es un paradigma dominante en la biología sintética. Los investigadores construyeron y caracterizaron una variedad de puertas lógicas en varios organismos, ^{[ 114 ]} y demostraron computación tanto analógica como digital en células vivas. Demostraron que las bacterias pueden ser diseñadas para realizar computación tanto analógica como/digital. ^{[ 115 ] [ 116 ]} En 2007, en células humanas, la investigación demostró un evaluador lógico universal que opera en células de mamíferos. ^{[ 117 ]} Posteriormente, los investigadores utilizaron este paradigma para demostrar una terapia de prueba de concepto que utiliza computación digital biológica para detectar y eliminar células cancerosas humanas en 2011. ^{[ 118 ]} En 2016, otro grupo de investigadores demostró que los principios de la ingeniería informática pueden usarse para automatizar el diseño de circuitos digitales en células bacterianas. ^{[ 119 ]} En 2017, los investigadores demostraron el sistema BLADE (lógica booleana y aritmética mediante escisión de ADN) para diseñar computación digital en células humanas. ^{[ 120 ]} En 2019, los investigadores implementaron un perceptrón en sistemas biológicos, abriendo el camino para el aprendizaje automático en estos sistemas. ^{[ 121 ]}

Las células utilizan genes y proteínas que interactúan, denominados circuitos genéticos, para llevar a cabo diversas funciones, como responder a señales ambientales, tomar decisiones y comunicarse. Tres componentes clave están involucrados: ADN, ARN y ADN. Los biólogos sintéticos diseñaron circuitos genéticos que pueden controlar la expresión génica desde varios niveles, incluyendo los niveles transcripcional, postranscripcional y traduccional.

La ingeniería metabólica tradicional se ha visto reforzada por la introducción de combinaciones de genes foráneos y la optimización mediante evolución dirigida. Esto incluye la ingeniería de E. coli y levadura para la producción comercial de un precursor del fármaco antipalúdico artemisinina . ^{[ 122 ]}

Aún no se han creado organismos completos desde cero, aunque las células vivas pueden transformarse con ADN nuevo. Existen varias maneras de construir componentes de ADN sintético e incluso genomas sintéticos completos , pero una vez obtenido el código genético deseado, se integra en una célula viva que se espera que manifieste las nuevas capacidades o fenotipos deseados mientras crece y se desarrolla. ^{[ 123 ]} La transformación celular se utiliza para crear circuitos biológicos , que pueden manipularse para producir los resultados deseados. ^{[ 12 ] [ 13 ]}

Al integrar la biología sintética con la ciencia de los materiales , sería posible utilizar células como fábricas moleculares microscópicas para producir materiales cuyas propiedades estuvieran codificadas genéticamente. La reingeniería ha producido fibras Curli, el componente amiloide del material extracelular de los biofilms , como plataforma para nanomateriales programables . Estas nanofibras se construyeron genéticamente para funciones específicas, incluyendo la adhesión a sustratos, la creación de plantillas de nanopartículas y la inmovilización de proteínas. ^{[ 124 ]}

Las proteínas naturales pueden ser diseñadas, por ejemplo, mediante evolución dirigida , se pueden producir nuevas estructuras proteicas que igualen o mejoren la funcionalidad de las proteínas existentes. Un grupo generó un haz de hélices que era capaz de unirse al oxígeno con propiedades similares a la hemoglobina , pero no se unía al monóxido de carbono . ^{[ 126 ]} Se generó una estructura proteica similar para soportar una variedad de actividades oxidorreductasas ^{[ 127 ]} mientras que otro formó una ATPasa estructural y secuencialmente novedosa . ^{[ 128 ]} Otro grupo generó una familia de receptores acoplados a proteínas G que podían ser activados por la molécula pequeña inerte clozapina N-óxido pero insensibles al ligando nativo , la acetilcolina ; estos receptores se conocen como DREADDs . ^{[ 129 ]} Las nuevas funcionalidades o la especificidad de las proteínas también pueden diseñarse utilizando enfoques computacionales. Un estudio logró utilizar dos métodos computacionales diferentes: un método bioinformático y de modelado molecular para analizar bases de datos de secuencias, y un método computacional de diseño de enzimas para reprogramar la especificidad enzimática. Ambos métodos dieron como resultado enzimas diseñadas con una especificidad más de 100 veces mayor para la producción de alcoholes de cadena más larga a partir de azúcares. ^{[ 130 ]}

Otra investigación común es la expansión del conjunto natural de 20 aminoácidos . Excluyendo los codones de parada , se han identificado 61 codones , pero generalmente solo 20 aminoácidos están codificados en todos los organismos. Ciertos codones se modifican genéticamente para codificar aminoácidos alternativos, incluyendo aminoácidos no estándar como la O-metil tirosina o aminoácidos exógenos como la 4-fluorofenilalanina. Por lo general, estos proyectos utilizan pares de ARNt supresores de codones de terminación y aminoacil-ARNt sintetasa recodificados de otros organismos, aunque en la mayoría de los casos se requiere una ingeniería sustancial. ^{[ 131 ]}

Otros investigadores estudiaron la estructura y función de las proteínas reduciendo el conjunto normal de 20 aminoácidos. Se crean bibliotecas de secuencias de proteínas limitadas generando proteínas en las que grupos de aminoácidos pueden ser reemplazados por un solo aminoácido. ^{[ 132 ]} Por ejemplo, varios aminoácidos no polares dentro de una proteína pueden ser reemplazados por un solo aminoácido no polar. ^{[ 133 ]} Un proyecto demostró que una versión modificada de la corismato mutasa aún tenía actividad catalítica cuando solo se usaban nueve aminoácidos. ^{[ 134 ]}

Investigadores y empresas utilizan la biología sintética para sintetizar enzimas industriales con alta actividad, rendimientos óptimos y eficacia. Estas enzimas sintetizadas buscan mejorar productos como detergentes y productos lácteos sin lactosa, además de hacerlos más rentables. ^{[ 135 ]} Las mejoras en la ingeniería metabólica mediante biología sintética son un ejemplo de técnica biotecnológica empleada en la industria para el descubrimiento de productos farmacéuticos y químicos fermentativos. La biología sintética puede investigar sistemas de vías modulares en la producción bioquímica y aumentar los rendimientos de la producción metabólica. La actividad enzimática artificial y sus efectos subsiguientes sobre las tasas y rendimientos de las reacciones metabólicas pueden desarrollar "nuevas estrategias eficientes para mejorar las propiedades celulares... para la producción bioquímica de importancia industrial". ^{[ 136 ]}

Los científicos pueden codificar información digital en una sola hebra de ADN sintético . En 2012, George M. Church codificó uno de sus libros sobre biología sintética en ADN. Los 5,3 Mb de datos fueron más de 1000 veces mayores que la mayor cantidad de información almacenada anteriormente en ADN sintetizado. ^{[ 137 ]} Un proyecto similar codificó los sonetos completos de William Shakespeare en ADN. ^{[ 138 ]} De manera más general, algoritmos como NUPACK, ^{[ 139 ]} ViennaRNA, ^{[ 140 ]} Ribosome Binding Site Calculator, ^{[ 141 ]} Cello, ^{[ 119 ]} y Non-Repetitive Parts Calculator ^{[ 142 ]} permiten el diseño de nuevos sistemas genéticos.

Se han desarrollado numerosas tecnologías para incorporar nucleótidos y aminoácidos no naturales en ácidos nucleicos y proteínas, tanto in vitro como in vivo. Por ejemplo, en mayo de 2014, investigadores anunciaron que habían introducido con éxito dos nuevos nucleótidos artificiales en el ADN bacteriano. Al incluir nucleótidos artificiales individuales en el medio de cultivo, lograron intercambiar las bacterias 24 veces; no generaron ARNm ni proteínas capaces de utilizar los nucleótidos artificiales. ^{[ 143 ] [ 144 ] [ 145 ]}

La biología sintética despertó el interés de la NASA , ya que podría ayudar a producir recursos para los astronautas a partir de una cartera restringida de compuestos enviados desde la Tierra. ^{[ 146 ] [ 147 ] [ 148 ]} En Marte, en particular, la biología sintética podría conducir a procesos de producción basados ​​en recursos locales, convirtiéndola en una herramienta poderosa para el desarrollo de puestos avanzados ocupados con menor dependencia de la Tierra. ^{[ 146 ]} Se ha trabajado en el desarrollo de cepas de plantas capaces de soportar el duro entorno marciano, utilizando técnicas similares a las empleadas para aumentar la resistencia a ciertos factores ambientales en cultivos agrícolas. ^{[ 149 ]}

Un tema importante en biología sintética es la vida sintética , que se ocupa de organismos hipotéticos creados in vitro a partir de biomoléculas y/o análogos químicos de las mismas . Los experimentos de vida sintética intentan investigar los orígenes de la vida , estudiar algunas de sus propiedades o, de forma más ambiciosa, recrearla a partir de componentes no vivos ( abióticos ). La biología de la vida sintética busca crear organismos vivos capaces de realizar funciones importantes, desde la fabricación de productos farmacéuticos hasta la desintoxicación de suelos y aguas contaminados. ^{[ 151 ]} En medicina, ofrece perspectivas de utilizar partes biológicas diseñadas como punto de partida para nuevas clases de terapias y herramientas de diagnóstico. ^{[ 151 ]}

Una "célula artificial" viva se ha definido como una célula completamente sintética que puede capturar energía , mantener gradientes iónicos , contener macromoléculas , almacenar información y tener la capacidad de mutar . ^{[ 152 ]} Se ha afirmado que esto sería difícil, ^{[ 152 ]} aunque los investigadores han creado candidatos para tales células artificiales. ^{[ 153 ]}

En 2010, Craig Venter produjo un cromosoma bacteriano completamente sintético y su equipo lo introdujo en células bacterianas huésped sin genoma. ^{[ 19 ]} Las células huésped pudieron crecer y replicarse. ^{[ 154 ] [ 155 ]} El Mycoplasma laboratorium es el único organismo vivo con un genoma completamente modificado.

El primer organismo vivo con un código de ADN expandido "artificial" se presentó en 2014; el equipo utilizó E. coli a la que se le extrajo el genoma y se le sustituyó por un cromosoma con un código genético expandido. Los nucleósidos añadidos son d5SICS y dNaM . ^{[ 145 ]}

En mayo de 2019, en un esfuerzo trascendental, los investigadores informaron sobre la creación de una nueva forma sintética (posiblemente artificial ) de vida viable , una variante de la bacteria Escherichia coli , al reducir el número natural de 64 codones en el genoma bacteriano a 59 codones, para codificar 20 aminoácidos . ^{[ 25 ] [ 26 ]}

En 2017, se inició la colaboración internacional de investigación de código abierto a gran escala Build-a-Cell para la construcción de células vivas sintéticas, ^{[ 156 ]} seguida por organizaciones nacionales de células sintéticas en varios países, incluyendo FabriCell, ^{[ 157 ]} MaxSynBio ^{[ 158 ]} y BaSyC. ^{[ 159 ]} Los esfuerzos europeos en células sintéticas se unificaron en 2019 como la iniciativa SynCellEU. ^{[ 160 ]}

En 2023, los investigadores lograron crear los primeros embriones humanos sintéticos derivados de células madre. ^{[ 161 ]}

En terapéutica, la biología sintética ha logrado avances significativos al modificar y simplificar el alcance de los tratamientos en un período de tiempo relativamente corto. De hecho, las nuevas plataformas terapéuticas, desde el descubrimiento de mecanismos de enfermedades y dianas farmacológicas hasta la fabricación y el transporte de moléculas pequeñas, son posibles gracias al diseño lógico y la construcción guiada por modelos de componentes biológicos. ^{[ 67 ]}

Se han diseñado dispositivos de biología sintética para actuar como terapias en tratamientos terapéuticos. Es posible controlar virus y organismos creados por completo para atacar patógenos y vías patológicas específicas. Así, en dos estudios independientes 91,92, los investigadores utilizaron bacteriófagos modificados genéticamente para combatir bacterias resistentes a los antibióticos, dotándolos de características genéticas que atacan y dificultan específicamente las defensas bacterianas contra la actividad antibiótica. ^{[ 67 ]}

En la terapia del cáncer , dado que los medicamentos convencionales suelen atacar indiscriminadamente tumores y tejidos normales, los virus y organismos creados artificialmente que pueden identificar y vincular su acción terapéutica con señales patológicas pueden ser útiles. Por ejemplo, la actividad de la vía p53 en células humanas se introdujo en adenovirus para controlar su replicación. ^{[ 67 ]}

El biocombustible más popular es el etanol producido a partir de maíz o caña de azúcar, pero este método de producción es problemático y limitado debido al alto costo agrícola y las características inadecuadas del etanol como combustible. Una fuente potencial de energía renovable son los microorganismos cuyas vías metabólicas han sido modificadas para convertir la biomasa en biocombustibles de manera más eficiente. Solo si sus costos de producción pudieran igualar o incluso superar los de la producción actual de combustible, se podría esperar que estas técnicas tuvieran éxito. En relación con esto, existen varios medicamentos cuyos costosos procesos de fabricación impiden que tengan un mayor rango terapéutico. La creación de nuevos materiales y la fabricación microbiológica de biomateriales se beneficiarían sustancialmente de las nuevas herramientas de biología artificial. ^{[ 67 ]}

El sistema CRISPR/Cas (repeticiones palindrómicas cortas agrupadas y frecuentemente espaciadas/asociadas a CRISPR) es un método potente de ingeniería genómica en diversos organismos debido a su simplicidad, modularidad y escalabilidad. En esta técnica, un ARN guía (ARNg) atrae la nucleasa CRISPR Cas9 a un punto específico del genoma, provocando una ruptura de doble cadena. Se pueden utilizar varios procesos de reparación del ADN, como la recombinación dirigida por homología y la unión de extremos no homólogos, para lograr el cambio genómico deseado (es decir, la deleción o inserción de genes). Además, dCas9 (Cas9 inactiva o Cas9 deficiente en nucleasa), un mutante doble de Cas9 (H840A, D10A), se ha utilizado para controlar la expresión génica en bacterias o cuando se une a un sitio de estimulación o supresión en levaduras. ^{[ 175 ]}

Para construir y desarrollar sistemas biológicos, los componentes reguladores, incluidos los reguladores, los sitios de unión a ribosomas (RBS) y los terminadores, son cruciales. A pesar de años de estudio, existen muchas variedades y cantidades de promotores y terminadores para Escherichia coli, pero también para el organismo modelo bien estudiado Saccharomyces cerevisiae, así como para otros organismos de interés, estas herramientas son bastante escasas. Se han inventado numerosas técnicas para la búsqueda e identificación de promotores y terminadores con el fin de superar esta limitación, incluyendo la minería genómica, la mutagénesis aleatoria, la ingeniería híbrida, el modelado biofísico, el diseño combinatorio y el diseño racional. ^{[ 175 ]}

La biología sintética se ha utilizado para organoides , que son órganos cultivados en laboratorio con aplicación en la investigación médica y el trasplante. ^{[ 176 ]}

La bioimpresión 3D puede utilizarse para reconstruir tejido de diversas regiones del cuerpo. El precursor de la adopción de la impresión 3D en la atención médica fue una serie de ensayos realizados por investigadores del Boston Children's Hospital. El equipo construyó vejigas urinarias de reemplazo a mano para siete pacientes mediante la construcción de andamios, luego recubriendo los andamios con células de los pacientes y permitiendo que crecieran. Los ensayos fueron un éxito, ya que los pacientes se mantuvieron en buen estado de salud 7 años después de la implantación, lo que llevó a un becario de investigación llamado Anthony Atala, MD, a buscar formas de automatizar el proceso. ^{[ 177 ]} Los pacientes con enfermedad de vejiga en etapa terminal ahora pueden ser tratados utilizando tejidos de vejiga bioingenierizados para reconstruir el órgano dañado. ^{[ 178 ]} Esta tecnología también puede aplicarse potencialmente a tejido óseo, cutáneo, cartilaginoso y muscular. ^{[ 179 ]} Si bien un objetivo a largo plazo de la tecnología de bioimpresión 3D es reconstruir un órgano completo, así como minimizar el problema de la falta de órganos para trasplante. ^{[ 180 ]} Ha habido poco éxito en la bioimpresión de órganos completamente funcionales, por ejemplo, hígado, piel, menisco o páncreas. ^{[ 181 ] [ 182 ] [ 183 ]} A diferencia de los stents implantables, los órganos tienen formas complejas y son significativamente más difíciles de bioimprimir. Un corazón bioimpreso, por ejemplo, no solo debe cumplir con los requisitos estructurales, sino también con los de vascularización, carga mecánica y propagación de señales eléctricas. ^{[ 184 ]} En 2022, se informó del primer éxito de un ensayo clínico para un trasplante bioimpreso en 3D hecho a partir de las propias células del paciente, una oreja externa para tratar la microtia , ^{[ 185 ] [ 186 ]} Las limitaciones de la bioimpresión en 3D están asociadas con una morfología fisiológicamente irrelevante y métodos de evaluación histológica fallidos. ^{[ 187 ] [ 188 ]}

La bioimpresión 3D contribuye a avances significativos en el campo médico de la ingeniería de tejidos al permitir la investigación de materiales innovadores llamados biomateriales . Algunas de las sustancias bioingenierizadas más destacadas suelen ser más resistentes que los materiales corporales promedio, incluidos los tejidos blandos y los huesos. Estos componentes pueden actuar como futuros sustitutos, e incluso mejoras, de los materiales corporales originales. Además, la Agencia de Reducción de Amenazas de Defensa (DARPA) tiene como objetivo imprimir miniórganos como corazones, hígados y pulmones con el potencial de probar nuevos fármacos con mayor precisión y quizás eliminar la necesidad de realizar pruebas en animales. ^{[ 189 ]}

Actualmente se están llevando a cabo investigaciones y desarrollos sobre métodos basados ​​en la biología sintética para inducir la regeneración en humanos , así como la creación de órganos artificiales trasplantables .

La biología sintética puede utilizarse para crear nanopartículas que pueden emplearse para la administración de fármacos, así como para otros fines. ^{[ 190 ]} Complementando la investigación y el desarrollo, se buscan y se han creado células sintéticas que imitan las funciones de las células biológicas. Las aplicaciones incluyen medicina , como nanopartículas diseñadas que hacen que las células sanguíneas eliminen —desde dentro hacia fuera— porciones de la placa aterosclerótica que causan ataques cardíacos. ^{[ 191 ] [ 192 ] [ 193 ]} Las microgotas sintéticas para células de algas o los reactores microbianos esferoidales multicelulares sinérgicos de algas y bacterias , por ejemplo, podrían utilizarse para producir hidrógeno como biotecnología de la economía del hidrógeno . ^{[ 194 ] [ 195 ]}

Las células de diseño de mamíferos son diseñadas por humanos para comportarse de una manera específica, como una célula inmune que expresa un receptor sintético diseñado para combatir una enfermedad específica. ^{[ 196 ] [ 197 ]} La electrogenética es una aplicación de la biología sintética que implica el uso de campos eléctricos para estimular una respuesta en células diseñadas. ^{[ 198 ]} El control de las células de diseño se puede hacer con relativa facilidad mediante el uso de dispositivos electrónicos comunes, como teléfonos inteligentes. Además, la electrogenética permite la posibilidad de crear dispositivos mucho más pequeños y compactos que los que utilizan otros estímulos mediante el uso de electrodos microscópicos. ^{[ 198 ]} Un ejemplo de cómo se utiliza la electrogenética para beneficiar la salud pública es mediante la estimulación de células de diseño que son capaces de producir/administrar terapias. ^{[ 199 ]} Esto se implementó en células _Electro HEK, células que contienen canales de calcio dependientes de voltaje que son electrosensibles, lo que significa que el canal iónico se puede controlar mediante la conducción eléctrica entre los electrodos y las células _{Electro HEK.} ^{[ 198 ]} Se demostró que los niveles de expresión del gen artificial que contenían estas células _Electro HEK podían controlarse modificando el voltaje o la duración del pulso eléctrico. Estudios posteriores han ampliado este robusto sistema, uno de los cuales es un sistema de línea celular beta diseñado para controlar la liberación de insulina mediante señales eléctricas. ^{[ 200 ]}

Una cuestión ética es si es aceptable o no crear nuevas formas de vida, a veces conocido como "jugar a ser Dios". Actualmente, la creación de nuevas formas de vida no presentes en la naturaleza se realiza a pequeña escala, los beneficios y peligros potenciales siguen siendo desconocidos, y se garantiza una cuidadosa consideración y supervisión para la mayoría de los estudios. ^{[ 201 ]} Muchos defensores expresan el gran valor potencial —para la agricultura, la medicina y el conocimiento académico, entre otros campos— de la creación de formas de vida artificiales. La creación de nuevas entidades podría expandir el conocimiento científico mucho más allá de lo que se conoce actualmente a partir del estudio de los fenómenos naturales. Sin embargo, existe la preocupación de que las formas de vida artificiales puedan reducir la "pureza" de la naturaleza (es decir, la naturaleza podría ser corrompida de alguna manera por la intervención y manipulación humanas) y potencialmente influir en la adopción de principios más propios de la ingeniería en lugar de ideales centrados en la biodiversidad y la naturaleza. A algunos también les preocupa que si una forma de vida artificial se liberara en la naturaleza, podría obstaculizar la biodiversidad al desplazar a las especies naturales por los recursos (de manera similar a como las floraciones de algas matan a las especies marinas). Otra preocupación se refiere al trato ético de las entidades recién creadas si llegan a sentir dolor , sensibilidad y autopercepción. Existe un debate en curso sobre si a estas formas de vida se les deberían otorgar derechos morales o legales, aunque no existe consenso sobre cómo se administrarían o harían cumplir estos derechos.

La ética y los fundamentos morales que respaldan ciertas aplicaciones de la biología sintética incluyen su potencial mitigación de problemas globales sustanciales de impactos ambientales perjudiciales de la agricultura convencional (incluida la producción de carne ), bienestar animal , seguridad alimentaria y salud humana , ^{[ 207 ] [ 208 ] [ 209 ]} así como la posible reducción de las necesidades de mano de obra humana y, a través de terapias de enfermedades, la reducción del sufrimiento humano y la prolongación de la vida.

¿Qué es lo más apropiado desde el punto de vista ético al considerar las medidas de bioseguridad? ¿Cómo se puede evitar la introducción accidental de vida sintética en el medio ambiente natural? Se ha dedicado mucha reflexión ética y análisis crítico a estas cuestiones. La bioseguridad no solo se refiere a la contención biológica, sino también a las medidas adoptadas para proteger al público de agentes biológicos potencialmente peligrosos. Si bien estas preocupaciones son importantes y aún no tienen respuesta, no todos los productos de la biología sintética plantean problemas de bioseguridad o consecuencias negativas para el medio ambiente. Se argumenta que la mayoría de las tecnologías sintéticas son benignas e incapaces de proliferar en el mundo exterior debido a sus características "antinaturales", ya que todavía no existe ningún ejemplo de un microorganismo transgénico con una ventaja adaptativa en la naturaleza.

En general, los controles de peligro , las metodologías de evaluación de riesgos y las regulaciones existentes desarrolladas para los organismos genéticamente modificados (OGM) tradicionales se consideran suficientes para los organismos sintéticos. Los métodos de biocontención "extrínsecos" en un contexto de laboratorio incluyen la contención física mediante cabinas de bioseguridad y cajas de guantes , así como equipos de protección personal . En un contexto agrícola, incluyen distancias de aislamiento y barreras de polen , similares a los métodos de biocontención de los OGM . Los organismos sintéticos pueden ofrecer un mayor control de peligros porque pueden diseñarse con métodos de biocontención "intrínsecos" que limitan su crecimiento en un entorno no contenido o impiden la transferencia horizontal de genes a organismos naturales. Ejemplos de biocontención intrínseca incluyen la auxotrofia , los interruptores de muerte biológica , la incapacidad del organismo para replicarse o transmitir genes modificados o sintéticos a la descendencia, y el uso de organismos xenobiológicos que utilizan bioquímica alternativa, por ejemplo, el uso de ácidos nucleicos xeno artificiales (XNA) en lugar de ADN. ^{[ 210 ] [ 211 ]}

Algunos problemas éticos se relacionan con la bioseguridad, donde las tecnologías biosintéticas podrían usarse deliberadamente para causar daño a la sociedad y/o al medio ambiente. Dado que la biología sintética plantea problemas éticos y de bioseguridad, la humanidad debe considerar y planificar cómo abordar las creaciones potencialmente dañinas y qué tipo de medidas éticas podrían emplearse para disuadir las tecnologías biosintéticas nefastas. Sin embargo, con la excepción de la regulación de las empresas de biología sintética y biotecnología, ^{[ 212 ] [ 213 ]} estos problemas no se consideran nuevos, ya que se plantearon durante los debates anteriores sobre el ADN recombinante y los organismos genéticamente modificados (OGM), y ya existen amplias regulaciones sobre ingeniería genética e investigación de patógenos en muchas jurisdicciones. ^{[ 214 ]}

Además, el desarrollo de herramientas de biología sintética ha facilitado que personas con menor educación, capacitación y acceso a equipos modifiquen y utilicen organismos patógenos como armas biológicas. Esto aumenta la amenaza del bioterrorismo , especialmente a medida que los grupos terroristas toman conciencia de la importante perturbación social, económica y política causada por pandemias como la COVID-19 . A medida que se desarrollan nuevas técnicas en el campo de la biología sintética, es probable que el riesgo de bioterrorismo continúe creciendo. ^{[ 215 ]} Juan Zarate, quien se desempeñó como Asesor Adjunto de Seguridad Nacional para la Lucha contra el Terrorismo de 2005 a 2009, señaló que "la gravedad y la extrema perturbación de un nuevo coronavirus probablemente estimularán la imaginación de los grupos e individuos más creativos y peligrosos a reconsiderar los ataques bioterroristas". ^{[ 216 ]}

El proyecto SYNBIOSAFE, financiado por la Unión Europea ^{[ 217 ],} ha publicado informes sobre cómo gestionar la biología sintética. Un documento de 2007 identificó cuestiones clave en materia de seguridad, ética y la interfaz ciencia-sociedad, que el proyecto definió como educación pública y diálogo continuo entre científicos, empresas, gobierno y especialistas en ética. ^{[ 218 ] [ 219 ]} Las cuestiones clave de seguridad que identificó SYNBIOSAFE implicaban la colaboración con empresas que venden ADN sintético y la comunidad de biohacking de biólogos aficionados. Las cuestiones éticas clave se referían a la creación de nuevas formas de vida.

Un informe posterior se centró en la bioseguridad, especialmente en el llamado desafío del doble uso . Por ejemplo, si bien la biología sintética puede conducir a una producción más eficiente de tratamientos médicos, también puede conducir a la síntesis o modificación de patógenos dañinos (por ejemplo, la viruela ). ^{[ 220 ]} La comunidad de biohacking sigue siendo motivo de especial preocupación, ya que la naturaleza distribuida y difusa de la biotecnología de código abierto dificulta el seguimiento, la regulación o la mitigación de posibles problemas relacionados con la bioseguridad y la bioprotección. ^{[ 221 ]}

COSY, otra iniciativa europea, se centra en la percepción pública y la comunicación. ^{[ 222 ] [ 223 ] [ 224 ]} Para comunicar mejor la biología sintética y sus ramificaciones sociales a un público más amplio, COSY y SYNBIOSAFE publicaron SYNBIOSAFE , un documental de 38 minutos, en octubre de 2009. ^{[ 217 ]}

La Asociación Internacional de Biología Sintética ha propuesto la autorregulación. ^{[ 225 ]} Esta propone medidas específicas que la industria de la biología sintética, especialmente las empresas de síntesis de ADN, deberían implementar. En 2007, un grupo liderado por científicos de importantes empresas de síntesis de ADN publicó un "plan práctico para desarrollar un marco de supervisión eficaz para la industria de la síntesis de ADN". ^{[ 212 ]}

En enero de 2009, la Fundación Alfred P. Sloan financió al Centro Woodrow Wilson , al Centro Hastings y al Instituto J. Craig Venter para examinar la percepción pública, la ética y las implicaciones políticas de la biología sintética. ^{[ 226 ]}

Los días 9 y 10 de julio de 2009, el Comité de Ciencia, Tecnología y Derecho de las Academias Nacionales organizó un simposio sobre "Oportunidades y desafíos en el campo emergente de la biología sintética". ^{[ 227 ]}

Tras la publicación del primer genoma sintético y la cobertura mediática que lo acompañó sobre la creación de "vida", el presidente Barack Obama estableció la Comisión Presidencial para el Estudio de Cuestiones Bioéticas para estudiar la biología sintética. ^{[ 228 ]} La comisión convocó una serie de reuniones y publicó un informe en diciembre de 2010 titulado "Nuevas Direcciones: La Ética de la Biología Sintética y las Tecnologías Emergentes". La comisión declaró que "si bien el logro de Venter representó un avance técnico significativo al demostrar que un genoma relativamente grande podía sintetizarse con precisión y sustituirse por otro, no equivalía a la "creación de vida". ^{[ 229 ]} Señaló que la biología sintética es un campo emergente, que genera riesgos y beneficios potenciales. La comisión no recomendó cambios en las políticas ni en la supervisión y solicitó financiación continua para la investigación y nueva financiación para el seguimiento, el estudio de las cuestiones éticas emergentes y la educación pública. ^{[ 214 ]}

La biología sintética, como herramienta principal para los avances biológicos, conlleva el potencial de desarrollar armas biológicas, posibles impactos negativos imprevistos en la salud humana y cualquier impacto ambiental potencial. ^{[ 230 ]} La proliferación de dicha tecnología también podría poner la producción de armas biológicas y químicas al alcance de un mayor número de actores estatales y no estatales . ^{[ 231 ]} Estos problemas de seguridad podrían evitarse regulando el uso de la biotecnología por parte de la industria mediante legislación. La Comisión de Bioética del Presidente propone directrices federales sobre manipulación genética, en respuesta al anuncio de la creación de una célula autorreplicante a partir de un genoma sintetizado químicamente, y presenta 18 recomendaciones no solo para regular la ciencia, sino también para educar al público. ^{[ 230 ]}

El 13 de marzo de 2012, más de 100 grupos ambientalistas y de la sociedad civil, entre ellos Friends of the Earth , el Centro Internacional para la Evaluación de Tecnologías y el Grupo ETC , publicaron el manifiesto «Principios para la Supervisión de la Biología Sintética » . Este manifiesto exige una moratoria mundial sobre la liberación y el uso comercial de organismos sintéticos hasta que se establezcan regulaciones más sólidas y medidas de bioseguridad rigurosas. Los grupos solicitan específicamente una prohibición total del uso de la biología sintética en el genoma o el microbioma humanos . ^{[ 232 ] [ 233 ]} Richard Lewontin escribió que algunos de los principios de seguridad para la supervisión discutidos en «Principios para la Supervisión de la Biología Sintética» son razonables, pero que el principal problema con las recomendaciones del manifiesto es que «el público en general carece de la capacidad para hacer cumplir cualquier implementación significativa de esas recomendaciones». ^{[ 234 ]}