CAD para Genomas

El próximo software del consorcio GP-Write tiene como objetivo hacer que la edición y el diseño del genoma a gran escala sean más accesibles

Por Eliza Strickland

Imagine poder diseñar un nuevo organismo tan fácilmente como puede diseñar un nuevo circuito integrado. Esa es la visión definitiva detrás del programa de diseño asistido por computadora (CAD) que está desarrollando el consorcio GP-write.

CAD para Genomas
CAD para Genomas

“Estamos tomando las mismas cosas que haríamos para la automatización del diseño en electrónica y aplicándolas a la biología”, dice Doug Densmore, profesor asociado de ingeniería eléctrica e informática en la Universidad de Boston. Una de las empresas emergentes de Densmore, Lattice Automation, está liderando el esfuerzo para desarrollar CAD. Dice que la primera versión estará disponible a finales de año. 

Una de las esperanzas de Densmore para el proyecto es que ayudará a los científicos informáticos a ver una forma de involucrarse en la genética y la biología. “Hay algunos científicos informáticos realmente brillantes que podrían decir: ‘No entiendo lo que esto está haciendo biológicamente, pero me gusta la codificación’”, señala. 

La inspiración para GP-write, más formalmente conocida como Genome Project-write, proviene del Proyecto Genoma Humano de la década de 1990 y principios de la de 2000. Ese esfuerzo por leer la secuencia de ADN completa de un ser humano catalizó el desarrollo de tecnologías de secuenciación de ADN y lanzó campos de la medicina completamente nuevos. El equipo de GP-write plantea la hipótesis de que un nuevo enfoque en “escribir” genomas puede provocar revoluciones similares. 

¿Qué significa escribir un genoma? Significa ir mucho más allá de las ediciones actuales realizadas con herramientas de vanguardia como CRISPR y diseñar secuencias de ADN para crear células humanas o animales con nuevas propiedades. Empresas pioneras en biología sintética como Gingko Bioworks y Zymergen ya están rediseñando organismos unicelulares como levaduras y bacterias, convirtiéndolos en fábricas microscópicas que producen sustancias deseables. 

En un artículo de 2019 que describió la visión, los científicos de GP-write escribieron que un programa CAD accesible y fácil de usar hará que el diseño del genoma sea más rápido, más barato y más confiable. “Si podemos reducir los costos de la escritura del genoma, las aplicaciones serían transformadoras”, dice Amy Schwartz , presidenta y codirectora ejecutiva de GP-write. Ella le dice a IEEE Spectrum que prevé aplicaciones en medicina, energía, materiales y otras industrias.

El programa CAD estará disponible gratuitamente para los académicos, así como para las empresas y los socios industriales de GP-write que sean seleccionados para participar en su nueva incubadora. Otras empresas podrán acceder a él por una tarifa, dice Schwartz. La plataforma también incluirá formularios de pedido para que los usuarios puedan enviar sus archivos CAD a empresas que fabrican ADN sintético; las construcciones diseñadas se pueden enviar a los usuarios para que puedan ver cómo resulta su diseño en la vida real. 

El equipo de Schwartz tiene como objetivo ayudar a los científicos a ir mucho más allá de cambiar los pares de bases individuales (las unidades más básicas de ADN). Tiene la intención de capturar la intención de los científicos a un nivel mucho más alto y abstracto. Si, por ejemplo, quieren agregar una nueva vía metabólica para crear una determinada proteína, el CAD realizará todos los cambios necesarios en todos los lugares necesarios del genoma. También está destinado a detectar errores de codificación que resultarían en una celda disfuncional y predecir con precisión el efecto funcional de las ediciones en una celda, el tipo de evaluación que normalmente requiere un experto humano en la actualidad.

Cuando se le pide un ejemplo de cómo este CAD podría ayudar a los científicos, Densmore, de la Universidad de Boston, presenta una hipótesis médica. “Imagínese que quisiera diseñar una bacteria que contenga un biosensor que detecte alguna condición en el intestino y que luego libere algo terapéutico”, dice. Eso requeriría agregar un gen para el biosensor, un gen que codifica la producción de la sustancia terapéutica, que se acumularía dentro de la bacteria, y luego un gen de autodestrucción que haría que la bacteria se rompa y libere su medicamento. “Es posible que desee saber cómo interactuarían esos genes agregados”, dice Densmore, y el CAD esencialmente podría verificar el código en busca de errores y hacer predicciones sobre la función de las bacterias.

Farren Isaacs , otro colaborador clave y profesor asociado de biología molecular, celular y del desarrollo en la Universidad de Yale, dice que están “tratando de desarrollar una ventanilla única para el diseño del genoma”. Señala que el CAD comenzará con los genomas de referencia de unos pocos organismos, como la levadura y la bacteria E. coli , pero que estará diseñado para funcionar con cualquier genoma de referencia. 

La bioseguridad es una prioridad para cualquier persona involucrada en la edición de genes y la biología sintética. GP-write se ha comprometido a que el CAD cumplirá con los altos estándares de bioseguridad del  Consorcio Internacional de Síntesis Genética .  Como primer paso, comparará las secuencias diseñadas con una base de datos de secuencias peligrosas para asegurarse de que los usuarios no estén creando virus u otras armas biológicas. En última instancia, también comprobará que la célula u organismo no prolifere sin control ni cause problemas en el medio ambiente. 

Si bien GP-write espera que su CAD se convierta en una herramienta estándar para la creciente industria de la biología sintética, parece poco probable que las empresas establecidas cambien sus sistemas de diseño y edición de genoma existentes. 

En Ginkgo Bioworks, Patrick Boyle dirige un equipo que trabaja en Codebase, el depósito de “módulos” genéticos de la empresa que se pueden utilizar una y otra vez en proyectos. Dice que Ginkgo tiene una pila de software personalizada que le permite a la empresa diseñar hasta 20.000 genes nuevos en un mes. “Para escribir realmente a escala, necesita CAD”, dice Boyle. “Realmente se trata de escribir bibliotecas de Python: a la escala a la que estamos diseñando nuevas secuencias, no se va a utilizar una interfaz de arrastrar y soltar”, dice. 

Si bien Ginkgo continuará usando su software propietario, Boyle ve utilidad en el esfuerzo CAD de escritura GP. “Gran parte del software que existe actualmente para el diseño de ADN es para científicos que trabajan en el banco, reuniendo algunas piezas de ADN para impulsar un proyecto”, dice. “Si está tratando de juntar 1000 piezas de ADN, necesita un software diferente y una interfaz diferente”.

Si el programa CAD se pone de moda en la academia y la industria, es posible que se enfrente al escrutinio de los especialistas en bioética. 

“Veo un posible choque entre el sencillo proceso de diseño CAD y las complicadas complejidades de las aplicaciones de la vida real”, dice Joachim Boldt , bioético de la Universidad de Freiburg que escribe con frecuencia sobre biología sintética . Le preocupa que una plataforma fácil de usar “pueda hacer que los usuarios sobreestimen la confiabilidad de los resultados previstos, especialmente aquellos usuarios que no están familiarizados con los límites de los algoritmos subyacentes”.

Boldt aboga por las regulaciones internacionales sobre tecnologías de edición del genoma y quiere que esas regulaciones tengan una visión matizada, estableciendo distinciones entre diferentes tipos de organismos y diferentes aplicaciones. Si la edición y el diseño del genoma se realizan sin políticas responsables de las instituciones y los gobiernos, “tenemos un problema”, dice.

El equipo de GP-write dice que están creando un CAD vivo que evolucionará como lo hacen la ciencia, la tecnología y las regulaciones. Si los científicos informáticos y los ingenieros eléctricos están dispuestos a participar ahora, dice Densmore, encontrarán mucho en lo que trabajar durante el resto de sus carreras. “En la 21 st  siglo, la biología proporcionará los problemas tecnológicos más interesantes”, dice. 

Fuente: https://spectrum.ieee.org/the-human-os/biomedical/ethics/with-this-cad-for-genomes-you-can-design-new-organisms

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