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Electron Microscope Slow-Motion Video of Vinyl LP Applied Science


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Fuente: Applied Science

Estudio Metabólico y Molecular de Cultivos Bacterianos degradadores de hidrocarburos aromáticos policíclicos (PAH) y resistentes a metales pesados
Química Viva


AutoresM. Cecotti
I.S.Morelli
B.M. Coppotelli

Resumen
La contaminación mixta con PAH y metales pesados conlleva dificultades debido a la potencial toxicidad del metal, limitando la supervivencia solo a los microorganismos que toleren ambos contaminantes. El estudio de cepas degradadoras de PAH y resistentes a metales pesados promete proporcionar herramientas claves para el proceso de biorremediación. Este trabajo tuvo como objetivos la selección, identificación y caracterización de cepas degradadoras de PAH y resistentes a metales pesados aisladas a partir de suelos proveniente de la Antártida y de zonas aledañas a la ciudad de La Plata.

La identificación a nivel molecular mostró que las cepas antárticas A, B y C, filogenéticamente relacionadas al género Pseudomonas, presentaron alta resistencia al CdCl2 (CIMs de 500 μg/ml) en caldo R3. Las cepas A y C mostraron porcentajes de degradación de fenantreno por encima del 40 %, mientras que B no superó el 25 %, en todos los casos se observó la acumulación del intermediario ácido 1-hidroxi-2-naftoico.

Las tres cepas fueron capaces de degradar fenantreno en presencia de 100 μg/ml de CdCl2. Las cepas bacterianas estudiadas podrían cumplir un importante rol frente a contaminaciones mixtas de fenantreno y metales como Cd+2, usualmente presentes en suelos co-contaminados.

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Física de los Destornilladores Flotantes Applied Science

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Explicación sobre cómo un chorro de aire puede hacer flotar un destornillador.

Fuente: Applied Science

Biología Sintética Fases de Desarrollo


La Biología Sintética trasciende la mera manipulación microbiana y pone en cuestión conceptos centrales de la evolución.

La disciplina ha recorrido tres fases, debido a su capacidad de escoger trayectorias diferentes de las que originalmente tomó la naturaleza.

Primera fase:
La Biotecnología o ingeniería genética
La primera fue la era de la ingeniería genética o de la biotecnología. Comenzó en los años setenta con la modificación del genoma de microorganismos. Se alteró el genoma de la bacteria Escherichia coli para que produjese insulina, eritropoyetina y anticuerpos monoclonales, entre otros.

En el año 1972 Stanley Cohen y Herbert Boyer coincidieron en una conferencia sobre plásmidos, fragmentos circulares de ADN que pueden replicarse independientemente de los cromosomas celulares. En la conferencia, Cohen hizo público que podía insertar plásmidos en E. coli, para que la bacteria los propagara y clonara. Boyer habló de su trabajo con EcoRI, enzima que corta el ADN en puntos específicos. Ambos se per-cataron de que si combinaban sus dos hallazgos, podrían ensartar fragmentos de dos plásmidos diferentes y producir ADN recombinante, dejando que la bacteria produjera cantidades ingentes del plásmido así creado.

Segunda fase:
 Elaboración y desarrollo de una genómica Sintética
La segunda fase se aplicó a la elaboración y desarrollo de una genómica sintética asociada a la fabricación de nuevos fármacos y producción de biocombustibles y alimentos genéticamente modificados.

Tercera fase: La Biología Sintética
En la tercera fase, la actual, se pretende la síntesis completa de genomas, incluso la creación de especies completamente nuevas.

Definición de la biología sintética
Se define a la Biología Sintética como el diseño y fabricación de componentes y sistemas biológicos que no existen en la naturaleza, así como a las técnicas que permiten introducir modificaciones en los diseños de los sistemas biológicos ya existentes. Siendo el objetivo final, la creación de nuevos organismos capaces de responder a determinados estímulos de una forma programada, controlada y confiable.

La aparición de la Biología Sintética marca el final de la evolución darwiniana tal y como la conocíamos. Pues mediante una intervención en los mecanismos reguladores naturales, podemos acceder a todo un universo de posibilidades, muchas de las cuales jamás habrían sido alcanzadas a través de la evolución natural.

A lo largo de las últimas décadas, el crecimiento acelerado de recursos y esfuerzos técnico-científicos, sumado al impacto de los últimos descubrimientos y sus implica-ciones socioeconómicas han colocado a la Biología en una posición dominante en el ámbito de las ciencias.

Los avances en el estudio del cáncer o el cerebro prometen modificar muchas de nuestras ideas y acercarnos al origen y tratamiento de enfermedades hasta ahora invencibles. Muchos de estos avances son el resultado de mejores técnicas experimentales, pero también del desarrollo de modelos teóricos y de simulación por computadora.

Ha sido la colaboración entre investigadores provenientes de distintas disciplinas, la que ha llevado al desarrollo de la llamada Biología de Sistemas, que es una disciplina en la que se considera la complejidad biológica en términos de sistemas en interacción.

En el terreno experimental, el desarrollo de la ingeniería genética y la posibilidad de manipular no reacciones o elementos concretos, sino células o procesos celulares complejos, han abierto la puerta a ésta otra disciplina - la Biología Sintética - que cambiará sin duda nuestro conocimiento de lo vivo y sus límites.


Esto se realiza mediante la introducción de secuencias de ADN que codifican nuevos genes, a menudo procedentes de otras especies distintas de aquella sobre la que se actúa.

Es muy probable que debamos esperar 10 o 15 años para que la Biología Sintética llegue a un nivel de desarrollo suficiente como para ser aplicada directamente en campos como el de la Biomedicina o en las aplicaciones de Biorremediación medioambiental. De lo que no cabe duda es que estamos asistiendo y participando activamente en una de las revoluciones científicas y tecnológicas que decidirán el curso del conocimiento futuro.

En el Cuadro I, los autores de "Presente y futuro de la Biología Sintética" Juan Macías y Ricard Solé, detallan una lista de algunas de las potenciales aplicaciones de la Biología Sintética en las que se está trabajando actualmente. Ver Cuadro I

En el Cuadro II los mismos autores detallan una lista de algunos de los avances más significativos de la última década.
 Ver Cuadro II


Tecnologías de Biología Sintética

Expansión del código genético
Los primeros pasos en el diseño de nuevas formas de vida consisten en el diseño de microorganismos que utilizan un código genético diferente al que actualmente emplean todas las formas de vida existentes en nuestro planeta. Mediante la introducción de nuevas unidades sintéticas en su ADN estos organismos poseerían proteínas sintéticas.

Circuitos genéticos
La activación de estos genes oscila entre los estados de encendido y apagado a medida que la señal se propaga por el circuito, produciendo a su vez oscilaciones periódicas en la concentración de las proteínas que codifican. La arquitectura de estos circuitos es cíclica y en ellos cada gen inhibe al siguiente y a su vez es inhibido por el anterior, razón por la cual a este tipo de circuitos se les denomina osciladores.

Genoma mínimo
El proceso para identificar el genoma mínimo de los microorganismos sintéticos se puede realizar a través de diversos métodos que van desde la identificación de genes esenciales por mutagénesis hasta el análisis de homología de secuencias génicas mediante herramientas bioinformáticas. Una tercera alternativa consiste en el estudio de sistemas biológicos que han experimentado de forma natural una reducción de su material genético.

Evolución dirigida
Es un método alternativo que no necesita de un conocimiento previo acerca de los detalles de la función del circuito. La evolución dirigida es un proceso que aprovecha la habilidad de las células para sobrevivir frente a una presión selectiva. Una de las técnicas que emplea esta estrategia es el denominado "DNA shuffling" o "molecular breeding".

Ingeniería genética in silico
La Biología Sintética tiene como objetivo la construcción de modelos que puedan predecir con precisión el cómo se comportaría el circuito genético en el interior de las células. Pero las células están sujetas a cambios constantes que incluyen el estrés del medio y las mutaciones genéticas que afectan su habilidad para crecer y propagarse. Las simulaciones realizadas mediante Ingeniería Genética in silico, deben tener en cuenta estas circunstancias para conferirle realismo a los modelos que se vayan creando. Las simulaciones por computadora son una herramienta básica de la Biología sintética, siempre y cuando se mantengan los principios de estandarización de los componentes del modelo y la optimización de los circuitos diseñados.

Campos de aplicación de La biología sintética

Biomedicina
La medicina será una de las áreas más beneficiadas de los avances en esta nueva disciplina, tanto las áreas de desarrollo de nuevos fármacos, la terapia génica, como la reparación y regeneración de tejidos y la reprogramación celular.

Fármacos
La idea es la creación de un fármaco compuesto por una envoltura sintética que contiene una molécula que al detectar un indicador concreto activa la liberación del fármaco. Su administración debería ser sencilla y sólo debería activarse cuando el paciente desarrollase la enfermedad.

Genómica personalizada
La Biología Sintética permitirá obtener un conocimiento más amplio de la complejidad de las enfermedades y por lo tanto, será posible desarrollar fármacos a la carta. Esto se realizará gracias a las tecnologías propias de este campo, como son la creación de circuitos genéticos y la ingeniería genética in silico.

Terapia genética
Consiste en el diseño y modificación del virus para transportar genes a tejidos concretos y conseguir la recombinación e integración de los mismos de forma eficiente en el genoma del paciente. Además del virus, también es posible el diseño de circuitos biológicos que detecten cambios fisiológicos anormales en las células y den lugar a una respuesta basada en la recombinación del gen anormal con su homólogo normal.

Reparación y regeneración de tejidos
Esta aplicación se basa en el diseño de sistemas moleculares formados por sensores capaces de reconocer la existencia de daños en determinados tejidos, unido a un grupo de enzimas capaces de reparar el daño.

Reprogramación celular
Las células madre pueden ser modificadas de modo que adquieran nuevas propiedades y posteriormente sean introducidas en pacientes para, por ejemplo, revertir una patología. Esta terapia podría ser de utilidad en la reprogramación del sistema inmune con el objeto de combatir enfermedades infecciosas.

Biosensores
Los dispositivos compactos de análisis, denominados Biosensores, se componen de un elemento capaz de reconocer e interaccionar con sustancias o microorganismos de interés y de un sistema electrónico que permite procesar la señal producida por esta interacción.

Energía
La producción de bioenergía mediante microorganismos sintéticos se encuentra en sus primeras etapas de desarrollo. Existen tres campos de investigación principales a respecto de la producción de bioenergía mediante Biología Sintética, la producción de hidrógeno o etanol, la conversión eficiente de residuos en energía y la conversión de energía solar en hidrógeno.

Nuevos biomateriales
Los biomateriales son materiales farmacológicamente inertes, utilizados para ser incorporados o implantados dentro de un sistema vivo para reemplazar o restaurar alguna función, permaneciendo en contacto permanente o intermitente con los fluidos corporales.

Otros campos de aplicación es la Biorremediación que es el empleo de bacterias y hongos modificados como herramientas con el fin de eliminar compuestos tóxicos y no contaminar los ecosistemas. Así como los es también, el diseño de microorganismos capaces de extraer minerales de interés presentes incluso en bajas concentraciones (debido a la sobreexplotación de una mina o a la baja calidad de la misma) y la inserción de ácidos nucléicos no naturales en secuencias transgénicas que proporcionaría un mecanismo de control de estos organismos, ya que su presencia dependería exclusivamente del aporte de percusores de ácidos nucléicos no naturales, los cuales no se encuentran en la naturaleza.

El Mirel es un polihidroxibutirato (PHB) de extracción microbiana y presenta ventajas ambientales evidentes sobre la versión derivada del petróleo, pues libera nuestra dependencia de los combustibles fósiles. Su fuente principal es el maíz que es un recurso renovable y sostenible. Este producto reemplazará al que se venía extrayendo de hidrocarburos fósiles. Por otro lado, las resinas Mirel son los únicos bioplásticos sin almidón acreditados por los organismos de certificación, en cuanto a su biodegradabilidad en suelos naturales y en el mar.

De los compuestos petroquímicos se obtiene también el 1,3-propanediol (PDO), que es el principal componente de la fibra Sorona para alfombras. Gracias a la Biología Sintética, se creó una cepa industrial de Escherichia coli con 26 cambios genéticos que convierte directamente la glucosa del maíz en PDO, en un tanque de fermentación.

Los organismos genéticamente manipulados (OGM) producen diesel, gasolina y combustible para aviones. Y actualmente se manipulan microorganismos con el fin de detectar la presencia de arsénico en el agua potable a unas concentraciones sumamente bajas.

El científico George Church de la Universidad Harvard, informó incluso que trabajaba en una nueva técnica que supuestamente podría devolver la vida a especies extinguidas cuyo genoma se conozca o pueda reconstruirse a partir de restos fósiles (como el Mamut Lanudo). Uno de los graves obstáculos para semejante proeza reside en la carencia de núcleos celulares intactos, lo que significa que no existe núcleo disponible para una clonación por transferencia nuclear.

Aunque se haya reconstruido la secuencia genómica del mamut y esté registrada en bases de datos, no se sabe cómo convertir una secuencia abstracta de letras en hebras de nucleótidos que conformen el genoma. Confían en el refinamiento de la técnica MAGE (Ingeniería del Genoma Múltiple Automatizado), una forma de versión acelerada y a escala industrial de la ingeniería genética.

Biobricks
Biobricks es una base de datos de "partes norma" de DNA que codifican para distintas funciones biológicas.

Usando las normas biológicas un biólogo sintético o un ingeniero sintético o un biohacker o cualquier persona, puede de cierta forma programar organismos vivos de la misma forma que un programador programa un software de computadora. Las secuencias de ADN, la información y otras características de las partes biologicas BioBrick se encuentran a disposición del público de forma gratuita a través del MIT's Registry of Standard Biological Parts (www.parts.igem.org). Cualquier persona o organización puede diseñar, mejorar y contribuir partes biológicas BioBrick.
El catalogo de partes biológicas incluye partes biológicas para: inverters, receivers and senders, dispositivos de medición, movimiento, quorum sensing, relojes biológicos, fotosensibilidad, etc.

Líneas de negocios aplicando la biología sintética

En el año 2011 era posible descifrar tres mil millones de pares de bases genéticas que conforman el genoma humano, invirtiendo diez mil dólares y en un periodo de apenas ocho días. Y en ese momento se había previsto que para el actual año sería posible realizarlo por un costo de mil dólares y en quince minutos. Además de la medicina genómica, la Biología Sintética proveerá nuevos combustibles y formas de descontaminar el ambiente, lo que representa un mercado que mueve miles de millones de dólares en la actualidad.

Insuflada por inversiones multimillonarias la Biología Sintética florece en lugares impensados. La empresa petrolera Exxon Mobil comprometió trescientos millones de dólares para producir algas que funcionen como combustible no contaminante. La empresa química Du Pont ya creó levaduras capaces de convertir el azúcar de los alimentos en bioplásticos. Por su parte, la empresa farmacéutica Kosan, adquirida por el laboratorio Glaxo Smith Kline, desarrolló un promisorio agente contra el cáncer con las herramientas de la Biología Sintética.

El científico Keasling es codirector del área de Biociencias del Laboratorio Lawrence Berkeley y sintetizó una levadura capaz de producir la droga artemisinina para la malaria en gran cantidad y con menores costos que la que se obtiene hoy de una planta. El laboratorio Sanofis-Aventis ya compró este exponente de la nueva Biología Sintética. "La Biología Sintética es como armar una computadora a partir de las partes compradas", explicó durante un congreso el científico Jay Keasling, uno de los referentes de la nueva disciplina que reúne ingeniería, biología molecular, computación y química.

Por su parte, la empresa Amyris Biotechnologies, fundada por Keasling se instaló luego en Brasil para fabricar combustible a partir de biomasa, utilizando maíz o árboles con celulosa.
Este científico también se abocó a desarrollar junto con la empresa Gingko, una bacteria que convertiría el dióxido de carbono en gasolina. El proyecto cuyo fin sería obtener un paliativo al calentamiento global, recibió seis millones y medio de dólares de financiación de parte del Departamento de Energía de los Estados Unidos. Por su parte, los biólogos emprendedores de Gingko anunciaron en su momento que contratarían a los mejores ingenieros, científicos y hackers.

El Premio Nobel de Física, Steven Chu trabajó durante años en los laboratorios de Biología Sintética de la Universidad de California antes de ser nombrado Secretario de Energía de Estados Unidos. En su momento, según lo revelado por la organización canadiense ETC, estos laboratorios habrían recibido quinientos millones de dólares de British Petroleum. Más tarde ha tomado público conocimiento el hecho de que la famosa bacteria artificial creada en mayo de 2010 por Craig Venter también recibió financiamiento de la misma empresa a través de la empresa Synthetics Genomics.

Emprendimientos innovadores de los propios científicos
La nueva Biología Sintética nos presenta la posibilidad de usar el ADN comprado en "laboratorios mayoristas" para crear nuevas formas de vida desde cero.

Muchos científicos están armando emprendimientos innovadores, ante tantos inversores interesados con capital disponible. Un caso ha sido el caso del biólogo argentino Gustavo Pesce que siendo investigador en el Molecular Sciences Institute, en California y fundó la empresa Green Pacific Biologicals para aplicar la Biología Sintética a temas de energía. Sostienen su emprendimiento inversores norteamericanos y chilenos, cuyo fin es el de desarrollar algas para obtener biocombustible a partir del dióxido de carbono que genera el calentamiento global.

Según la opinión de Pesce en su momento, la Argentina tendría grandes posibilidades de subirse a este tren, debido a los bajos costos de producción y las extensiones de tierra aptas para cultivos. Pero la burocracia, la inseguridad jurídica y la falta de una cultura de confianza entre el sector académico y el sector privado pueden jugarle en contra a una empresa que quiera instalarse en el país.

Primera plataforma secuenciadora de ADN de alto rendimiento en argentina

El Ministerio de Ciencia y Tecnología argentino se asoció con una empresa de 200 inversionistas agrícolas para fundar la empresa Indear en Rosario (Santa Fe), donde se instaló la primera plataforma secuenciadora de ADN de alto rendimiento del país. Su objetivo es dedicarse al merca- do de enzimas degradadoras de celulosa para obtener biocombustibles que rondará los veinte mil millones de dólares anuales en los próximos veinte años.

Indear es la empresa de investigación y desarrollo de Bioceres, nacida de una alianza entre Bioceres y el CONICET. Cuenta con las más avanzadas plataformas de investigación en agro-biotecnología de Latinoamérica.

Alberga en sus laboratorios a grupos de investigación altamente calificados en las áreas de genómica y bioinformática, biología molecular, Biología Sintética y estudio de proteínas.
Las áreas de I&D del Instituto se consolidan con una plataforma de cultivo de tejidos y transformación vegetal y con un grupo multidisciplinario focalizado en el desarrollo de tecnologías a campo.

La empresa concentra sus esfuerzos de investigación en tecnologías diseñadas para aumentar la productividad de los cultivos, incluyendo la tolerancia a la sequía y a la salinidad, la resistencia a plagas y a herbicidas, al uso eficiente de nutrientes y a la sanidad vegetal.

Estudiantes argentinos en iGEM
Estudiantes de grado de grado de la Facultad de Ciencias Exactas de la Universidad de Buenos Aires (FCEN-UBA) publicaron a principios de año y por primera vez, un "paper" sobre Biología Sintética en el Journal of Synthetic Biology. El artículo "Co-cultivo de levaduras con alimentación cruzada sintética: modelo computacional de autorregulación y diseño de un dispositivo exportador de triptofano" es la culminación del trabajo del equipo compuesto por estudiantes de grado de Biología, Física, Química y Computación de la FCEN-UBA.

El grupo participó en el año 2012 en el evento "International Genetically Engineered Machine Competition" (iGEM), una importante competencia sobre Biología Sintética. Durante ocho meses el equipo "iGEM Buenos Aires" identificó un problema, propuso una solu- ción y la implementó en el laboratorio. Como resultado, se convirtieron en el primer grupo argentino que logró llegar a la final mundial de esta "olimpíada de Biología Sintética" y fueron premiados con una medalla de bronce.

Lo interesante de esto es que los estudiantes aprendieron los fundamentos de la disciplina en unos pocos meses y lograron con la publicación del artículo el reconocimiento tanto de sus pares como de la comunidad internacional, siendo que los miembros del equipo no eran investigadores formados y pudieron lograr estos resultados en pocos meses. Pues una ventaja de la Biología Sintética es la velocidad y facilidad de llevar a cabo proyectos complejos. Esto muestra que la Biología Sintética podría aumentar la capacidad biotecnológica de nuestro país de manera muy rápida.

Conclusiones
Construir ADN sintético es rápido y más barato que obtener organismos transgénicos, lo que llevará a la proliferación de formas artificiales de vida con impredecibles impactos en el medio ambiente y la diversidad.

El generar organismos artificiales y máquinas vivientes, exige definiciones que van más allá de la mera biotecnología. Por ejemplo: si hay que conferir el estatus de la vida a una nueva entidad basada en ADN y que se reproduce ó el cómo colocar límites a algo que empieza a evolucionar por sus propios medios.

Habría que cuestionarse si habría que vigilar a los científicos y/o a los países que desarrollan estas herramientas, así como definir quién sería el propietario de estas formas de vida sintética y quién lucrará con ellas.

También a nivel metafísico se generarán cuestionamientos con la creencia en una fuerza vital misteriosa detrás de la vida, cuando "la vida" sea creada a partir de "elementosnovivos".
La Unión Europea ha encomendado a un comité multidisciplinario que estudie el asunto para legislar sobre la materia y establecer reglas de juego y un código de conducta, para no permitir la síntesis de cualquier entidad, sea un virus que haya azotado a la inmunidad en el pasado o definiendo cómo se actuará ante bacterias incapaces de sobrevivir en el medio ambiente, evitando que se conviertan en armas biológicas.

El sintetizar un virus como el del Ébola en un laboratorio cuesta cinco mil dólares. Por lo tanto, los riesgos son altos debido al destino que les den las instituciones de defensa y las organizaciones que se dedican a conflictos bélicos.

El tema de bioseguridad es serio, pues no está exento de accidentes que pueden producirse si se libera un nuevo virus letal, fabricado por un científico entusiasta con las partes estándar que proveen las empresas. El solo hecho de acompañar la lista de invenciones que crean los estudiantes cada año para participar en la competencia mundial iGEM, nos demuestra que el potencial escape de un organismo sintético no es ficción.

Referencias
Regenesis: How Synthetic Biology will reinvent nature and ourselves - George Church y Ed Regis (2012)
Presente y futuro de la Biología Sintética – Javier Macía y Ricard Solé - Universitat
Pompeu Fabra - Fundación General CSIC Ministerio de Ciencia, Tecnología e Innovación Productiva: www.mincyt.gob.ar
La Nación: www.lanacion.com.ar
Wikipedia: www.wikipedia.com
Indear: www.indear.com.ar
IGEM: www.igem.org