Traducido por el equipo de SOTT.net
mirror bacteria chirality danger
© Pymol 3.0.0 from Protein Data Bank accession number 1CA2.) — Stanford UniversityLos aminoácidos de imagen especular componen péptidos de imagen especular que se pliegan en proteínas de imagen especular Todos los aminoácidos naturales, excepto la glicina, son quirales, y sólo los ʟ-enantiómeros se utilizan en las proteínas naturales. La sustitución de los ʟ-aminoácidos por sus enantiómeros ᴅ-aminoácidos de imagen especular daría lugar a una cadena polipeptídica de imagen especular. Las interacciones entre las cadenas laterales de los aminoácidos en el péptido ᴅ son las mismas que en el péptido ʟ, pero con la orientación opuesta. Así, la cadena peptídica de imagen especular se pliega en una proteína que es la imagen especular de su homóloga de quiralidad natural. (Imagen de la estructura de la proteína de ejemplo, la anhidrasa carbónica, producida por Pymol 3.0.0 a partir del número de acceso 1CA2 del Banco de Datos de Proteínas) — Stanford University
Los biólogos sintéticos fabrican células artificiales, pero un tipo concreto no justifica el riesgo.

Los biólogos sintéticos hemos pasado las últimas décadas asombrados por los avances en este campo. En los últimos quince años, los biólogos sintéticos han almacenado libros, imágenes e incluso vídeos en el ADN, han desarrollado la capacidad de modificar y manipular genes con notable precisión e incluso han creado un organismo con cromosomas diseñados por ordenador y sintetizados en el laboratorio.1-5

Estos avances nos han permitido desarrollar fármacos eficaces contra enfermedades como la malaria, innovar materiales ligeros, biodegradables y muy resistentes, como la seda de araña artificial, y afianzar nuestra comprensión de cómo se forma la vida.6-8 En muchos casos, estos avances fueron imprevistos y no se habrían producido si los científicos no pudieran llevar a cabo sus investigaciones libremente.

Sin embargo, hace poco nos unimos a otros científicos para pedir que no se siguiera una determinada línea de investigación: los trabajos que podrían dar lugar a la creación de «bacterias espejo »9. Se trata de bacterias formadas por todos los componentes que poseen las células naturales, pero con cada biopolímero con una estereoquímica opuesta. Somos apasionados defensores de permitir que los científicos lleven a cabo sus investigaciones con el menor número posible de límites a la curiosidad intelectual, y pedir una prohibición no es algo que hagamos a menudo ni a la ligera. Sin embargo, toda regla tiene excepciones, y ésta es una de ellas. A menos que surjan pruebas convincentes que demuestren que las bacterias espejo no plantean riesgos inaceptables, creemos que la investigación para desarrollar la vida espejo no debería continuar.

El atractivo de la vida espejo

La vida es profundamente compleja y fascinantemente misteriosa. Lo que nos atrajo hacia la biología sintética es precisamente lo mucho que podemos aprender sobre la vida -y todas las formas importantes en que podemos emplearla- intentando reconstruirla desde cero. Por eso ambos hemos dedicado gran parte de nuestras carreras a la creación de células sintéticas.

Las células son los componentes básicos de la vida. La creación de células sintéticas mediante el uso de moléculas sintetizadas para reproducir las funciones celulares, o mediante el ensamblaje de moléculas naturales en sistemas sintéticos, puede servir para todo, desde el desarrollo de hormigón autorreparable basado en bacterias hasta la creación de una célula mínima que nos permita investigar los primeros principios de la vida celular.10,11

Las células mínimas son especialmente valiosas porque las células normales contienen muchos componentes diferentes que pueden reaccionar con muchas otras moléculas y células de forma compleja, lo que dificulta su uso para la investigación o el desarrollo de fármacos. Dado que las células mínimas se crearon eliminando genes no necesarios para el crecimiento en cultivos de laboratorio, son incapaces de sobrevivir fuera de nuestros laboratorios. La extrema simplicidad de estas células mínimas las convierte en plataformas ideales para la investigación con el fin de comprender los fundamentos de la vida y entender cómo los fármacos podrían afectar a la biología celular básica.

Por estas razones, en 2018, junto con otros, pusimos en marcha la comunidad «Build-a-Cell» (Construye una célula), una red de investigadores cuyo objetivo es desarrollar células vivas sintéticas.12 Fue por entonces cuando también empezamos a trabajar en el desarrollo de una "célula espejo".

Muchas moléculas son quirales, lo que significa que existen en forma diestra y zurda. Cuando se pone una molécula quiral delante de un espejo, su imagen especular tiene una orientación tridimensional diferente. Las imágenes especulares de una pelota o una copa de vino pueden parecer idénticas, pero la imagen especular de una mano derecha parecerá una mano izquierda. La naturaleza tiende a preferir una de estas formas. Por ejemplo, los aminoácidos, los componentes básicos de las proteínas, tienden a existir en forma «zurda». Los azúcares, componentes básicos de los hidratos de carbono, tienden a existir en forma diestra. El término «moléculas espejo» se refiere a moléculas con la quiralidad opuesta a la forma más común en la naturaleza. En los laboratorios se han fabricado moléculas espejo no naturales, como aminoácidos diestros o azúcares zurdos.13,14

Muchas de las reacciones indeseables que evitan las células espejo dependen de la detección y reacción frente a las moléculas quirales. Por lo tanto, las células formadas por moléculas espejo sencillamente no interactuarían con la mayoría de las moléculas y células normales. Las células espejo podrían ofrecer un enfoque prometedor para estudiar formas de vida con mucha menos contaminación, o para producir fármacos espejo que no se descompondrían ni eliminarían por los procesos celulares del cuerpo humano. Empezamos a trabajar en las células espejo para conseguir estas ventajas y otras más; todos estábamos deseando ver cómo triunfaba este campo de investigación en las próximas décadas.

Con los componentes y nutrientes adecuados, las células normales podrían convertirse en formas de vida vivas, como las bacterias. Del mismo modo, con los componentes y nutrientes adecuados, las células espejo podrían convertirse en bacterias espejo. Esta tecnología está aún más lejos y, si llegara a producirse, sería una proeza de ingeniería increíblemente impresionante. Aunque al principio ambos estábamos entusiasmados con la posibilidad de desarrollar vida espejo, cuando nos enteramos de que las bacterias espejo podrían tener un impacto increíblemente mortal si alguna vez se introdujeran en la naturaleza, cambiamos de opinión.

¿Por qué son peligrosas las bacterias espejo?

A menudo ocurre que los organismos artificiales o modificados luchan más por sobrevivir que sus homólogos naturales. Los microorganismos desarrollados en laboratorio suelen cultivarse en condiciones muy específicas y con nutrientes muy particulares cuya composición y concentraciones no reflejan las complejas y diversas condiciones que se dan en la naturaleza. En consecuencia, aunque desgraciadamente se producen fugas en el laboratorio -con cientos de casos de «posible liberación» al año que dan lugar al menos a uno o dos casos de infección detectados al año-, la mayoría de aquellas en las que intervienen organismos artificiales o modificados no dan lugar a un brote, ya que son demasiado «frágiles» para prosperar en el entorno adverso del mundo exterior, lo que los convierte en presa fácil de depredadores naturales como los virus que atacan a las bacterias (bacteriófagos)15.

Sin embargo, muchas interacciones entre organismos y células dependen, en primer lugar, de la capacidad de detectar las moléculas quirales y reaccionar con ellas. Su incompatibilidad con las reacciones biológicas naturales dejaría a las bacterias espejo sin depredadores naturales en la naturaleza, ya que no podrían ser detectadas, eliminadas o digeridas por bacteriófagos u otros organismos. Y lo que es más importante, muchas de las respuestas inmunitarias de los seres humanos, otros animales y las plantas también actúan detectando moléculas bacterianas quirales y reaccionando con ellas. Si un ser humano se infectara con bacterias espejo, sería como si estuviera inmunodeprimido, ya que su sistema inmunitario tendría grandes dificultades para detectar o eliminar las células espejo. Como resultado, las bacterias espejo podrían hipotéticamente replicarse a niveles extremadamente altos en el cuerpo humano, causando condiciones similares a un shock séptico.

El inconveniente de tener una biología que hace que las bacterias espejo sean «invisibles» para los enemigos naturales es que no podrían consumir muchos de los nutrientes quirales que se encuentran en la naturaleza. Sin embargo, varios nutrientes, como el glicerol, son aquirales (no tienen formas reflejadas), por lo que podrían ser consumidos por las bacterias espejo. Los científicos bienintencionados también podrían diseñar bacterias espejo capaces de consumir moléculas quirales naturales, como azúcares y aminoácidos.

A su vez, las bacterias espejo podrían propagarse por el medio ambiente sin depredadores naturales, infectar a los organismos sin desencadenar casi ninguna respuesta inmunitaria y, posiblemente, causar infecciones mortales. Una bacteria espejo de replicación imparable, libre en el medio ambiente, podría causar consecuencias desastrosas.16

La excepción, no la regla

Nos apasiona profundamente todo lo que puede ofrecer la biología sintética. Compartimos la preocupación por los peligros de restringir la ciencia porque va en contra de intereses políticos, porque se considera que no es útil o porque simplemente se malinterpreta. La ciencia libre suele ser mejor para el mundo.

Sin embargo, hay excepciones importantes. Restringimos la investigación con el virus de la viruela vivo, los experimentos psicológicos humanos peligrosos y las pruebas con explosivos nucleares en el medio ambiente porque son demasiado peligrosas. Creemos que la creación de vida espejo entra dentro de la misma clase de investigación que simplemente es demasiado arriesgada de llevar a cabo.17-19

Sin embargo, creemos que la normativa sobre biología espejo no debería afectar a la inmensa mayoría de las investigaciones de biología sintética en medicina o en la industria farmacéutica. Muy pocos laboratorios están interesados en la creación de vida espejo, y no tenemos claro que el desarrollo de la vida espejo ofrezca beneficios únicos que no podamos conseguir de otra forma. Por ejemplo, hemos observado que las moléculas espejo son prometedoras para los productos farmacéuticos porque pueden evitar ser detectadas por el organismo. Pero muchas de estas proteínas espejo, carbohidratos espejo y otras pequeñas moléculas espejo ya se fabrican de forma segura, y sin aplicaciones hacia la creación de vida espejo.20,21 Aunque debería haber medidas para asegurar que no se creen grandes moléculas espejo (como genomas espejo) para desarrollar vida espejo, la investigación en pequeñas moléculas espejo debería continuar libremente.

En última instancia, la mejor forma de garantizar que los biólogos sintéticos sigan desarrollando avances es asegurarnos de que no ponemos en peligro la seguridad mundial, dañamos la confianza pública o hacemos que la ciencia provoque enormes daños. La curiosidad no es razón suficiente para crear algo que podría ser tan peligroso. Por el bien de la humanidad -y de la propia ciencia- debemos evitar la creación de vida espejo.

Referencias:
  1. Church GM, et al. Next-generation digital information storage in DNA. Science. 2012;337(6102):1628.
  2. Lim CK, et al. A biological camera that captures and stores images directly into DNA. Nat Commun. 2023;14:3921.
  3. Shipman SL, et al. CRISPR-Cas encoding of a digital movie into the genomes of a population of living bacteria. Nature. 2017;547:345-349.
  4. Jinek M, et al. A programmable dual-RNA-guided DNA endonuclease in adaptive bacterial immunity. Science. 2012;337:816-821.
  5. Hutchison CA, et al. Design and synthesis of a minimal bacterial genome. Science. 2016;351:aad6253.
  6. Zhao L, et al. From plant to yeast-advances in biosynthesis of artemisinin. Molecules. 2022;27(20):6888.
  7. Dou Y, et al. Artificial spider silk from ion-doped and twisted core-sheath hydrogel fibres. Nat. Commun. 2019;10:5293.
  8. Sozen B, et al. Reconstructing aspects of human embryogenesis with pluripotent stem cells. Nat. Commun. 2021;12:5550.
  9. Adamala KP, et al. Confronting risks of mirror life. Science. 2024.
  10. Nodehi M, et al. A systematic review of bacteria-based self-healing concrete: Biomineralization, mechanical, and durability properties. J. Build. Eng. 2022;49:104038.
  11. Heili JM, et al. Controlled exchange of protein and nucleic acid signals from and between synthetic minimal cells. Cell Systems. 2024;15:49-62.
  12. Frischmon C, et al. Build-a-Cell: Engineering a Synthetic Cell Community. Life. 2021;11.
  13. Radkov AD, Moe LA. Bacterial synthesis of D-amino acids. Appl. Microbiol. Biotechnol. 2014;98:5363-5374.
  14. Xia TY, et al. Synthesis of l-glucose and l-galactose derivatives from d-sugars. Chin. Chem. Lett. 2014;25:1220-1224.
  15. Manheim D, Lewis G. High-risk human-caused pathogen exposure events from 1975-2016. F1000Res. 2021;10:752.
  16. Adamala KP, et al. Technical report on mirror bacteria: Feasibility and risks Stanford Digital Repository. 2024.
  17. Research using live variola virus. https://www.who.int/activities/research-using-live-variola-virus.
  18. Research must do no harm: new guidance addresses all studies relating to people. Nature. 2022;606:434.
  19. Limited Test Ban Treaty (LTBT). U.S. Department of State. https://2009-2017.state.gov/t/avc/trty/199116.htm.
  20. Zhao L, Lu W. Mirror image proteins. Curr. Opin. Chem. Biol. 2014;22:56-61.
  21. University of Texas at Arlington. Mirror-image chemicals may revolutionize drug delivery. Science Daily. 2024.