La vida en ¡®software¡¯
El Instituto Venter y la Universidad de Stanford replican por primera vez el ciclo de una bacteria La t¨¦cnica abre la v¨ªa a ensayos virtuales de f¨¢rmacos para curar enfermedades
La cada vez m¨¢s estrecha relaci¨®n entre la biolog¨ªa y la inform¨¢tica sigue dando sus frutos. Un equipo de cient¨ªficos estadounidenses ha dise?ado por vez primera un programa capaz de reproducir los procesos biol¨®gicos de un ser vivo, en este caso, el ciclo vital completo de una bacteria unicelular. Nunca hasta ahora se hab¨ªa conseguido contar con un modelo digital de un organismo completo. Y aunque por s¨ª mismo no va a servir para curar a nadie, el anuncio abre las puertas al desarrollo de modelos virtuales m¨¢s complejos con los que experimentar posibles terapias mediante los efectos de nuevos medicamentos o profundizar en el conocimiento de los procesos celulares sin tener que pisar el laboratorio. Simplemente bastar¨ªa con el teclado del ordenador.
?¡°La vida es un sistema regido por un software, que es el genoma¡±, ha comentado en alguna ocasi¨®n el investigador (y hombre de negocios) Craig Venter. Un art¨ªculo publicado en la revista Cell por parte de un equipo de la Universidad de Stanford y del Instituto J. Craig Venter, presidido por el propio bi¨®logo estadounidense, ha llevado estas palabras a una dimensi¨®n real al conseguir condensar la vida de la bacteria Mycoplasma genitalum en un programa inform¨¢tico.
La elecci¨®n de este microorganismo no tiene nada de casual. Esta bacteria unicelular, que se aloja en el tracto urinario, puede ser bastante molesta para los humanos ya que es la responsable de una infecci¨®n de transmisi¨®n sexual que, en ocasiones, se confunde con la gonorrea y la clamidia. Pero la particularidad por la que se ha elegido para servir de modelo no est¨¢ relacionada con su patogenicidad, sino con su simplicidad. Con solo 485 genes (582.000 pares de bases) y un ¨²nico cromosoma es la bacteria con vida independiente con el genoma m¨¢s sencillo. Gracias a esta estructura tan elemental (una bacteria cl¨¢sica de la experimentaci¨®n cient¨ªfica como la Escherichia coli tiene 4.288 genes; el ser humano, 30.000) apenas guarda secretos para los investigadores. Y esta es la clave.
Con 485 genes y un cromosoma es el organismo con genoma m¨¢s sencillo
El hecho de conocer de forma detallada el comportamiento molecular de la c¨¦lula permite trasladar todos estos procesos al programa inform¨¢tico y poder reproducirlos en el ordenador. Ser¨ªa como un simulador inform¨¢tico, del tipo, por ejemplo, que emplean los equipos de f¨®rmula 1 para experimentar mejoras en los b¨®lidos sin necesidad de salir a la pista. ¡°Imaginemos que se desea mejorar el perfil aerodin¨¢mico del coche con el uso de un aler¨®n diferente. El programa de simulaci¨®n incorporar¨ªa los par¨¢metros de la nueva pieza y arrojar¨ªa un resultado sobre si compensan o no las variaciones introducidas¡±, relata Dopazo. ¡°Algo similar ofrece este modelo ya que se puede analizar c¨®mo reacciona la bacteria al alterar los procesos internos a trav¨¦s, por ejemplo, del empleo de f¨¢rmacos¡±.
¡°El modelo presentado por los autores es el primer esfuerzo real destinado a simular de forma integrada los procesos que se desarrollan en un microorganismo vivo, y deber¨ªa ser elogiado aunque solo fuera por la audacia que demuestra¡±, explican Peter L. Freddolino y Saed Travazoie, ambos profesores de la Universidad de Columbia, en un editorial que acompa?a el art¨ªculo, tambi¨¦n en Cell. ¡°Es una enorme tarea, tanto en lo que respecta a la interpretaci¨®n como la integraci¨®n de la cantidad ingente de datos que se ha utilizado¡±, a?aden. Pese a todo, los propios autores hablan, de momento, de un primer borrador del modelo.
Joaqu¨ªn Dopazo, director cient¨ªfico del Centro de Investigaci¨®n Pr¨ªncipe Felipe (CIPF) de Valencia y responsable del Instituto de Gen¨®mica Computacional del mismo centro, compara con una gigantesca ecuaci¨®n esta compilaci¨®n y empaquetamiento inform¨¢tico de procesos que describen cuestiones como la replicaci¨®n celular, el metabolismo interno o la generaci¨®n de energ¨ªa.
Reproducir el proceso de divisi¨®n celular cuesta entre nueve y diez horas
Hasta el momento, se hab¨ªa conseguido reproducir en el ordenador procesos celulares aislados.
El hecho de haber creado un modelo inform¨¢tico integral de un organismo vivo ¡°es una prueba para los esc¨¦pticos de que la modelizaci¨®n puede ser un instrumento v¨¢lido¡±, explica el investigador. Sin embargo, hasta que se logre conocer, primero, y sistematizar, despu¨¦s, en una plataforma inform¨¢tica los procesos que tienen lugar en una c¨¦lula humana pasar¨¢ alg¨²n tiempo. ¡°Ser¨¢ necesaria mucha capacidad de c¨¢lculo¡±, advierte.
Por ahora, para dar este primer paso, los autores explican en el art¨ªculo que compilaron informaci¨®n de m¨¢s de 900 publicaciones cient¨ªficas, as¨ª como, entre otros aspectos, una clasificaci¨®n de las interacciones de 28 tipos de mol¨¦culas (DNA, RNA, prote¨ªnas y residuos del metabolismo celular conocidos como metabolitos). La informaci¨®n que maneja el modelo es tal que reproducir en el simulador el proceso de divisi¨®n celular cuesta entre nueve y diez horas, casi el mismo tiempo que necesita la c¨¦lula para dividirse en el medio natural.
No tan simple
La versi¨®n biol¨®gica de Mycoplasma genitalium es una de las bacterias m¨¢s peque?as conocidas, y por tanto uno de los organismos m¨¢s simples del planeta, con solo 485 genes ¡ª40 veces menos que una c¨¦lula humana¡ª y poco m¨¢s de un centenar de metabolitos, o mol¨¦culas org¨¢nicas peque?as que se van formando y consumiendo durante la actividad vital de la c¨¦lula. Incluso es capaz de vivir dentro de las c¨¦lulas humanas. Desde hace a?os no solo se conoce su genoma, sino tambi¨¦n lo que ocurre cuando se muta cada uno de sus genes. El micoplasma se podr¨ªa ver como el ¨¢tomo de hidr¨®geno de la biolog¨ªa, su sistema aut¨®nomo m¨¢s estilizado, y por tanto el m¨¢s f¨¢cil de modelar.
Su versi¨®n virtual, o simulada, es un programa inform¨¢tico de tal complejidad que necesita un agregado de 128 ordenadores y tarda 10 horas en simular una sola divisi¨®n celular, que es la m¨¢s simple de las operaciones que cabe concebir en una c¨¦lula viva. La Escherichia coli que vive en el intestino humano, que es una bacteria mucho m¨¢s compleja que el micoplasma, con m¨¢s de 4.000 genes, solo tarda 20 minutos en dividirse. Estos simples n¨²meros revelan que la fuerza bruta de computaci¨®n no est¨¢ m¨¢s cerca de emular las operaciones b¨¢sicas de la c¨¦lula viva que Deep Blue de funcionar como un cerebro humano, con perd¨®n de los ajedrecistas.
Pero las c¨¦lulas simuladas ser¨¢n de gran utilidad mucho antes de que los bi¨®logos moleculares, los cient¨ªficos de la computaci¨®n y los fil¨®sofos del futuro entiendan las razones profundas de esas odiosas comparaciones. La raz¨®n principal es que hacer experimentos es mucho m¨¢s r¨¢pido en un organismo virtual que en uno real.
Una t¨¦cnica esencial en la investigaci¨®n de nuevos f¨¢rmacos es el rastreo de centenares de miles o millones de mol¨¦culas ¡ªaut¨¦nticas bibliotecas combinatorias de compuestos qu¨ªmicos¡ª en busca de una o unas pocas que muestren actividad contra la enfermedad en cuesti¨®n. Estos rastreos masivos, como es natural, no se pueden hacer en pacientes humanos, y hasta ahora se han utilizado animales de experimentaci¨®n o alg¨²n tipo de modelo biol¨®gico, como c¨¦lulas en cultivo. Ahora se abre la posibilidad de utilizar bibliotecas de mol¨¦culas virtuales y simuladores de c¨¦lulas o de organismos para este prop¨®sito. No solo la Big Pharma, sino tambi¨¦n la farmacolog¨ªa acad¨¦mica y la gen¨®mica aplicada, se podr¨¢n beneficiar de esta estrategia.
Lo mismo vale para la creaci¨®n de otras mol¨¦culas de inter¨¦s industrial, como nuevos catalizadores y componentes de nanomateriales, y de biocombustibles que no requieran arruinar m¨¢s bosques y sean compatibles con la nutrici¨®n humana y el cuidado del entorno.
De las nuevas simulaciones de organismos, una parte de la biolog¨ªa computacional, cabe decir lo mismo que de la biolog¨ªa de sistemas en su versi¨®n tradicional, o basada en bacterias de verdad. La biolog¨ªa de sistemas y su versi¨®n computacional se basan en el conocimiento total de un sistema vivo aut¨®nomo. Hasta ahora se hab¨ªan simulado redes de genes con una regulaci¨®n com¨²n, o m¨®dulos del metabolismo, la cocina de la c¨¦lula. Ahora hablamos de simular un ser vivo completo y aut¨®nomo, aunque sea el m¨¢s simple imaginable. Tambi¨¦n Dios tendr¨ªa que empezar por algo.
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