Biología sintética

Biología rediseñada para crear y mejorar organismos.

¿Qué es la biología sintética?

La biología sintética es un término general que se refiere a la manipulación de las vías metabólicas para hacer que los microorganismos produzcan proteínas de forma muy predecible por medio del uso de principios de ingeniería. Unas veces se modifican genes individuales y otras se editan las características deseadas en el genoma completo.

La biología sintética es un campo interdisciplinar que combina principios de biología, ingeniería e informática para diseñar y construir partes biológicas, dispositivos y sistemas con funciones o capacidades nuevas. Tiene el potencial de influir en aplicaciones académicas e industriales, incluida la creación de nuevos tratamientos y vacunas, fitología y biocombustibles. A menudo, la atención se centra en generar, caracterizar y aislar partes de sistemas biológicos naturales antes de utilizarlos como componentes de una vía biológica diseñada.

Una marca distintiva de la biología sintética es la aplicación de principios racionales al diseño y ensamblaje de estos componentes biológicos. Incluso con un diseño racional, el impacto de introducir ADN extraño en una célula puede ser difícil de predecir. Esto crea la necesidad de probar múltiples permutaciones para obtener el resultado deseado. Poner énfasis en el diseño modular de partes del ADN permite el ensamblaje de una gran variedad de posibles construcciones mediante el intercambio de componentes individuales. La automatización del proceso de ensamblaje reduce el tiempo, el trabajo manual y los costes de generar varias construcciones para permitir un mayor rendimiento con un ciclo de desarrollo general más corto.

En este proceso, los fragmentos de ADN bicatenario se diseñan para facilitar la construcción génica. Las construcciones ensambladas normalmente se clonan en un vector de expresión y se verifican con una qPCR o secuenciación de nueva generación (NGS) de la colonia. Sin embargo, en algunos flujos de trabajo de alto rendimiento este paso de verificación puede ser opcional. A continuación, se analizan las construcciones sintéticas mediante una serie de ensayos funcionales. Con lo aprendido de los resultados del ensayo, se pueden modificar o refinar las construcciones en consecuencia. Este ciclo de diseño, construcción, prueba y aprendizaje se repite hasta que se obtenga una construcción de ADN que produzca la función deseada.

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Enfoque de diseño, construcción, prueba y aprendizaje (DBTL, por sus siglas en inglés) para un flujo de trabajo de clonación molecular de alto rendimiento

El enfoque Diseñar-Construir-Probar-Aprender ("Design-Build-Test-Learn" [DBTL]) utilizado en la ingeniería de cepas tiene un potencial casi ilimitado para diseñar y desarrollar bibliotecas grandes y diversas de cepas biológicas. A menudo esto requiere flujos de trabajo de clonación molecular de alto rendimiento sólidos y repetibles para aumentar la productividad de moléculas diana como transcritos de nucleótidos, proteínas y metabolitos. El éxito de la biología sintética a menudo recae en la potencia de los microorganismos. Los métodos de cribado tradicional de colonias bacterianas transformadas utilizando puntas de pipeta estériles, palillos de dientes o asas de inoculación estériles son muy propensos a errores humanos, son muy laboriosos y consumen mucho tiempo, lo que crea cuellos de botella en sus flujos de trabajo de clonación molecular.

Las aplicaciones de biología sintética de alto rendimiento, como la ingeniería de cepas, puede beneficiarse en gran medida de la mayor productividad de un selector de colonias microbianas controlado por robot, como el selector de colonias microbianas QPix, que selecciona hasta 30 000 colonias al día con seguimiento automático de los datos de ejecución de selección y gestión de bases de datos. El sistema QPix se puede integrar en un flujo de trabajo molecular completo, lo que permite a los usuarios un mayor rendimiento y más tiempo sin intervención del operador, generando más oportunidades para centrarse en el componente de aprendizaje del enfoque DBTL y proporcionando información para los diseños posteriores de nuevas cepas.

Ejemplo de una solución de sistema integrado para un flujo de trabajo de clonación molecular completamente automatizado

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Rediseñe su flujo de trabajo de biología sintética manual con el sistema automático para colonias microbianas QPix

Siembra en placas: la siembra en placas es el paso inicial en la investigación de biología sintética, en la que las células microbianas o las construcciones genéticas se extienden sobre placas de agar sólido para realizar colonias individuales. Para agilizar este proceso, se pueden utilizar sistemas automatizados como los sembradores de colonias robóticos. Estos sistemas utilizan técnicas de disposición en matrices de alta densidad, lo que permite sembrar simultáneamente varias muestras de forma precisa y eficiente. Esta automatización ahorra tiempo y reduce el potencial de errores humanos, lo que permite a los investigadores sembrar en placas un mayor número de muestras en menos tiempo.
Cribado: tras sembrar en las placas, el siguiente paso es hacer el cribado de colonias para identificar aquellas que nos interesan. Tradicionalmente, este se ha hecho de forma manual, siendo los investigadores los que inspeccionaban visualmente y seleccionaban las colonias en función de determinadas características. Sin embargo, para incrementar el rendimiento, los sistemas de cribado automático de colonias se han hecho cada vez más populares. Estos sistemas utilizan algoritmos de análisis de imágenes y aprendizaje automático para identificar y clasificar rápidamente las colonias en función de criterios predefinidos. La automatización de este proceso permite hacer rápidamente cribados de un número elevado de colonias, ahorrando tiempo y reduciendo la subjetividad.

El sistema QPix puede seleccionar con precisión 3000 colonias por hora, eliminando errores frecuentes asociados a los procesos manuales, como selecciones de dobles colonias o pérdida de colonias.

Selección: una vez identificadas las colonias de interés, comienza el proceso de selección. Tradicionalmente, este paso se ha basado en técnicas manuales, como el uso de puntas de pipeta, palillos de dientes o asas de inoculación estériles. No obstante, el empleo de selectores automáticos de colonias mejora la productividad. Estos sistemas avanzados utilizan brazos robóticos con puntas o agujas finas para transferir de forma precisa y rápida las colonias seleccionadas en distintas aplicaciones posteriores. Los selectores automáticos de colonias pueden manejar un elevado número de muestras por hora, aumentando significativamente el rendimiento y reduciendo las tareas laboriosas.
- Algunos de los beneficios de la selección automática de colonias para biología sintética:
- Permite un mayor rendimiento, minimizando a la vez el trabajo manual.
- Realiza una selección de colonias uniforme y objetiva, no subjetiva como en la selección manual.
- Admite una gran variedad de aplicaciones diferentes.
- El seguimiento electrónico de los datos permite un control de los datos bien documentado.
Replicación: un paso crucial en la investigación de biología sintética es la replicación de las colonias seleccionadas que permite preservar y distribuir el material genético para un posterior análisis y experimentación. La replicación manual implica el estriado de colonias en múltiples placas, lo que es laborioso y propenso a error humano. Utilice sistemas automáticos de replicación de colonias para agilizar este proceso. Estos sistemas emplean robótica y técnicas de disposición en matrices de alta densidad para replicar simultáneamente colonias en múltiples placas, lo que garantiza uniformidad y eficiencia.
Redisposición de matrices: la redisposición de matrices implica la transferencia de colonias de sus placas originales a nuevos formatos o recipientes para la conservación a largo plazo o experimentos adicionales. Este paso es crítico para mantener grandes colecciones de recursos genéticos y facilitar los flujos de trabajo de alto rendimiento. Los sistemas automáticos de redisposición de matrices, como los selectores de colonias robóticos con lectores de códigos de barras y funciones de manipulación de líquidos, pueden transferir colonias de forma exacta y eficiente en diferentes formatos, como microplacas o tubos de conservación. Al automatizar la redisposición de matrices, los investigadores pueden lograr procesos de transferencia estandarizados y sin errores, lo que permite una mejor organización y accesibilidad de los recursos genéticos.

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Beneficios de la biología sintética

Bioproducción acelerada

La biología sintética permite el rápido desarrollo y producción de moléculas valiosas, desde biocombustibles y productos farmacéuticos hasta especialidades químicas. Aprovechando el poder de la ingeniería genética, los científicos pueden diseñar microorganismos para producir de forma eficiente los compuestos deseados en grandes cantidades. Las ventajas clave son:

Sostenibilidad e impacto medioambiental
Avances médicos
Aplicaciones industriales

La ingeniería metabólica, que combina la generación informática de modelos, herramientas genéticas avanzadas y el cribado de alto rendimiento, está acelerando el diseño y la optimización de vías biológicas. Este enfoque integrado permite a los científicos diseñar microorganismos con productividad mejorada, allanando el camino a los avances en bioproducción.