Sólo había ocho ingredientes: dos proteínas, tres agentes amortiguadores, dos tipos de moléculas de grasa y algo de energía química. Pero eso fue suficiente para crear una flotilla de burbujas que rebotaban y palpitaban, estructuras rudimentarias similares a las células con parte de la maquinaria necesaria para dividirse por sí mismas.

Para la biofísica Petra Schwille, las creaciones danzantes de su laboratorio representan un paso importante hacia la construcción de una célula sintética desde la base, algo en lo que ha estado trabajando durante los últimos diez años, más recientemente en el Instituto Max Planck de Bioquímica en Martinsried, Alemania.

“Siempre me ha fascinado esta pregunta, ‘¿Qué distingue la vida de la materia no viva? El reto, según Schwille, es determinar qué componentes son necesarios para crear un sistema vivo. En su célula sintética perfecta, conocería todos y cada uno de los factores que la hacen funcionar.

Los investigadores llevan más de 20 años intentando crear células artificiales, reuniendo biomoléculas en el contexto adecuado para aproximarse a los distintos aspectos de la vida. Aunque hay muchos aspectos de este tipo, generalmente se dividen en tres categorías: la compartimentación, o la separación de las biomoléculas en el espacio; el metabolismo, la bioquímica que sostiene la vida; y el control de la información, el almacenamiento y la gestión de las instrucciones celulares.

El ritmo de trabajo se ha acelerado, gracias en parte a los recientes avances en tecnologías de microfluidos, que permiten a los científicos coordinar los movimientos de minúsculos componentes celulares. Los grupos de investigación ya han determinado formas de esculpir manchas celulares para darles la forma deseada, de crear versiones rudimentarias del metabolismo celular y de trasplantar genomas hechos a mano en células vivas. Pero unir todos estos elementos sigue siendo un reto.

El campo está, sin embargo, imbuido de un nuevo sentido de optimismo sobre la búsqueda. En septiembre de 2017, investigadores de 17 laboratorios de los Países Bajos formaron el grupo Building a Synthetic Cell (BaSyC), cuyo objetivo es construir un “sistema similar a una célula, que crezca y se divida” en un plazo de diez años, según la biofísica Marileen Dogterom, que dirige BaSyC y un laboratorio de la Universidad Tecnológica de Delft. El proyecto cuenta con una subvención de 18,8 millones de euros (21,3 millones de dólares) de la Gravitation holandesa.

En septiembre, la Fundación Nacional de la Ciencia de EE.UU. (NSF) anunció su primer programa sobre células sintéticas, financiado con 10 millones de dólares. Y varios investigadores europeos, entre ellos Schwille, han propuesto la construcción de una célula sintética como uno de los programas insignia de la Comisión Europea sobre tecnologías futuras y emergentes, que reciben una financiación de 1.000 millones de euros.

Los biólogos sintéticos prevén que las primeras células totalmente artificiales podrían cobrar vida en poco más de una década. “Estoy bastante seguro de que lo conseguiremos”, dice Schwille.

Todo en el envoltorio

Los grupos de investigación han hecho grandes avances en la recreación de varios aspectos de la vida celular, especialmente en la imitación de las membranas que rodean a las células y compartimentan los componentes internos. Esto se debe a que la organización de las moléculas es clave para que funcionen juntas en el momento y lugar adecuados. Aunque se puedan abrir mil millones de bacterias y verter su contenido en un tubo de ensayo, por ejemplo, los procesos biológicos no continuarían durante mucho tiempo. Algunos componentes deben mantenerse separados y otros reunirse.

“Para mí, se trata de la sociología de las moléculas”, dice Cees Dekker, biofísico también de la Universidad Tecnológica de Delft.

Por lo general, esto significa organizar las biomoléculas sobre o dentro de las membranas lipídicas. Schwille y su equipo son expertos en organizar membranas. Desde hace una década, el equipo empezó a añadir proteínas Min, que dirigen la maquinaria de división de una célula bacteriana, a láminas de membrana artificial hechas de lípidos. Los investigadores descubrieron que las Mins entraban y salían de las membranas y las hacían ondular y girar1. Pero cuando añadieron las Mins a esferas tridimensionales de lípidos, las estructuras estallaron como burbujas de jabón, dice Schwille. Su grupo y otros han superado este problema utilizando técnicas de microfluidos para construir contenedores de membrana del tamaño de una célula, o liposomas, que pueden tolerar múltiples inserciones de proteínas, ya sea en las propias membranas o en su interior.

El estudiante de posgrado de Schwille, Thomas Litschel, y sus colaboradores disolvieron las proteínas Min en agua y liberaron gotas de la mezcla en un tubo de ensayo que giraba rápidamente. La fuerza centrífuga arrastra las gotas a través de capas de lípidos densos que las encapsulan por el camino. Al final, salen en forma de liposomas que miden entre 10 y 20 micrómetros de diámetro, más o menos el tamaño de una célula vegetal o animal media. Estos liposomas, conocidos como vesículas unilamelares gigantes (GUV), pueden fabricarse de diferentes maneras, pero en manos de Litschel, las proteínas Min hicieron que las GUV palpitaran, bailaran y se contrajeran en el centro2.

El grupo de Schwille quiere capitalizar su conocimiento de estas proteínas, que pueden producir patrones de membrana y autoorganizarse. “Entendemos muy bien estas moléculas”, dice. “Nos gustaría ver hasta dónde podemos llegar con elementos relativamente simples como las Mins”. Tal vez, como insinúa el trabajo de Litschel, el equipo podría utilizar las proteínas para moldear membranas para la división o para reunir componentes en un extremo de una célula sintética. Al igual que algunos físicos podrían utilizar cinta aislante y papel de aluminio para afinar sus experimentos, Schwille dice que espera que estas prácticas moléculas biológicas le den la posibilidad de juguetear con las estructuras celulares: “Soy un experimentalista hasta los huesos”.

Los miembros del equipo de Dekker también han rellenado liposomas con sus proteínas favoritas utilizando un chip microfluídico (véase “Las máquinas de burbujas”). En el chip, dos canales que contienen moléculas de lípidos convergen en un canal lleno de agua y escupen liposomas del tamaño de una célula que pueden contener diversas moléculas biológicas, ya sea pegadas a través de la membrana o flotando libremente dentro del contenedor3.

Su grupo ha experimentado con la presurización, deformación y remodelación de los liposomas para que adopten formas no esféricas que imiten mejor a las células. Los dispositivos microfluídicos ofrecen a los investigadores un mayor control para mover, clasificar y manipular los liposomas mediante microcanales que funcionan casi como circuitos. Este año, el laboratorio Dekker diseñó un chip que podía partir mecánicamente un liposoma en dos empujándolo contra una punta afilada4.

“Esto, por supuesto, no es lo que buscamos: queremos demostrar la división desde el interior, pero aun así nos da información interesante”, dice Dekker. Por ejemplo, la fuerza que se necesita para dividir una célula y qué tipos de manipulación física pueden tolerar los liposomas. En la misma línea, su equipo también ha jugado con la forma de las células vivas de Escherichia coli, haciéndolas más anchas o cuadradas al cultivarlas en cámaras de silicona nanofabricadas. De este modo, los miembros del equipo pueden ver cómo la forma de la célula afecta a la maquinaria de división, y evaluar cómo funcionan las proteínas Min en células de diferente tamaño y forma5.

“Jugamos con técnicas de nanofabricación y hacemos cosas que un biólogo celular normal nunca haría”, dice. “Pero un biofísico extraño como yo puede hacerlo”.

Añadir energía al sistema

Ahora que es posible añadir componentes a las burbujas de liposomas sin reventarlas, los grupos pueden planificar cómo hacer que las moléculas trabajen juntas. Casi todo lo que tiene vida requiere energía celular, normalmente en forma de ATP. Y aunque éste puede añadirse desde el exterior para alimentar un sistema sintético, muchos biólogos que trabajan en enfoques ascendentes sostienen que una verdadera célula sintética debería tener su propia planta de energía, algo similar a la mitocondria de una célula animal o al cloroplasto de una planta, ambos fabricantes de ATP.

El grupo de Joachim Spatz en el Instituto Max Planck de Investigación Médica de Heidelberg, Alemania, ha construido una mitocondria rudimentaria que puede crear ATP dentro de una vesícula.

Para ello, su equipo aprovechó nuevas técnicas de microfluidos. En primer lugar, estabilizaron las GUVs colocándolas dentro de gotas de agua en aceite rodeadas por una cáscara viscosa de polímeros. A continuación, mientras estas GUVs estabilizadas por gotas fluían por un microcanal, el equipo inyectó grandes proteínas en ellas, bien dentro de la vesícula o bien incrustadas en la superficie de la membrana (véase “Las líneas de montaje”).

Cargaron estas membranas con una enzima llamada ATP sintasa, que actúa como una especie de noria molecular, creando energía ATP a partir de moléculas precursoras a medida que los protones fluyen a través de la membrana. Al añadir ácido para impulsar los protones fuera de las GUV, el equipo impulsó la producción de ATP en el interior6.

Spatz explica que los investigadores podrían hacer un ciclo de las GUV alrededor del microcanal de nuevo para otra inyección de proteínas, para añadir componentes secuencialmente. Por ejemplo, el siguiente paso podría ser añadir un componente que establezca automáticamente el gradiente de protones para el sistema.

“Ese es un módulo importante, como el que se tiene en la vida real”, dice Spatz.

Otro grupo de biología sintética del Max Planck, dirigido por el bioquímico Tobias Erb, ha estado investigando otros enfoques para construir vías metabólicas celulares. Está especialmente interesado en las vías que permiten a los microbios fotosintéticos extraer el dióxido de carbono del entorno y fabricar azúcares y otros componentes celulares.

Erb, jefe de grupo en el Instituto Max Planck de Microbiología Terrestre de Marburgo (Alemania), adopta un enfoque de pizarra para sintetizar las vías metabólicas celulares. “Desde el punto de vista de la ingeniería, pensamos en cómo diseñar”, dice, “y luego lo construimos en el laboratorio”.

Su grupo esbozó un diseño de sistema que podría convertir el CO2 en malato, un metabolito clave producido durante la fotosíntesis. El equipo predijo que la vía sería incluso más eficiente que la fotosíntesis. A continuación, Erb y su equipo buscaron en las bases de datos las enzimas que podrían realizar cada una de las reacciones. Para algunas de ellas, tuvieron que modificar las enzimas existentes para convertirlas en enzimas de diseño.

Al final, encontraron 17 enzimas de 9 organismos diferentes, incluyendo E. coli, una arquea, la planta Arabidopsis y los humanos. La reacción, tal vez sin sorpresa, era ineficaz y lenta7.

“Reunimos un equipo de enzimas que no jugaban bien juntas”, dice Erb. Sin embargo, tras un poco más de ingeniería enzimática, el equipo tiene una “versión 5.4” que, según Erb, funciona con un 20% más de eficacia que la fotosíntesis.

Ampliando este trabajo, el grupo de Erb ha empezado a construir una versión rudimentaria de un cloroplasto sintético. Triturando espinacas en una batidora y añadiendo su maquinaria de fotosíntesis a su sistema enzimático en el tubo de ensayo, los biólogos pueden impulsar la producción de ATP y la conversión de CO2 en malato, únicamente iluminándolo con luz ultravioleta.

Aunque todo puede funcionar durante un breve tiempo en un tubo de ensayo, dice Erb, “al final, nos gustaría que estuviera compartimentado, como un cloroplasto”. Le entusiasma colaborar con biólogos sintéticos como Kate Adamala, que pueden construir y controlar compartimentos complejos.

El grupo de Adamala, de la Universidad de Minnesota en Minneapolis, está trabajando en formas de construir biorreactores programables, introduciendo circuitos genéticos sencillos en los liposomas y fusionándolos para crear biorreactores más complejos. Ella los llama “pompas de jabón que fabrican proteínas”.

Su grupo construye estos biorreactores utilizando un sistema de tubos giratorios similar al de Schwille, pero que produce liposomas más pequeños. Los investigadores añaden círculos de ADN llamados plásmidos que han diseñado para realizar una función concreta, junto con toda la maquinaria necesaria para fabricar proteínas a partir del ADN.

Por ejemplo, su grupo ha fabricado biorreactores de liposomas que pueden detectar un antibiótico en su entorno a través de los poros de la membrana y pueden generar una señal bioluminiscente como respuesta8.

Al fusionar biorreactores sencillos de forma secuencial, el equipo puede construir circuitos genéticos más complejos. Pero los sistemas empiezan a romperse cuando se amplían hasta incluir una decena de componentes. Este es un reto importante para el campo, dice Adamala. En una célula real, las proteínas que podrían interferir entre sí se mantienen separadas por diversos mecanismos. En el caso de las células sintéticas, mucho más sencillas, los biólogos deben encontrar otras formas de imponer ese control. Podría ser a través de un control externo, en el que el experimentador decida qué liposomas se mezclan y cuándo. También podría lograrse a través de etiquetas químicas que regulen qué liposomas pueden fusionarse, o a través de un sistema de liberación de tiempo.

Inyecciones informativas

Otra clave para fabricar una célula es conseguir el software adecuado. Para que una célula sintética siga las instrucciones de los científicos y se reproduzca por sí misma será necesario algún modo de almacenar y recuperar información. En los sistemas vivos, esto se hace mediante genes, desde cientos en el caso de algunos microbios hasta decenas de miles en el caso de los seres humanos.

Cuántos genes necesitará una célula sintética para funcionar por sí misma es un tema de sano debate. A Schwille y otros les gustaría que fueran unas pocas docenas. Otros, como Adamala, piensan que las células sintéticas necesitan entre 200 y 300 genes.

Algunos han optado por empezar con algo vivo. El biólogo sintético John Glass y sus colegas del Instituto J. Craig Venter (JCVI) de La Jolla, California, tomaron uno de los genomas microbianos más pequeños conocidos del planeta, el de la bacteria Mycoplasma mycoides, y alteraron sistemáticamente sus genes para identificar los esenciales. Una vez que dispusieron de esa información, cosieron químicamente un genoma mínimo en el laboratorio.

Este genoma sintetizado contenía 473 genes -aproximadamente la mitad de lo que había en el organismo original- y fue trasplantado a una especie bacteriana relacionada, Mycoplasma capricolum9. En 2016, el equipo demostró que este genoma sintético mínimo podía “arrancar” un organismo de vida libre, aunque de crecimiento lento10. Glass cree que será difícil disminuir esa cifra mucho más: si se quita cualquier gen, se matan las células o se ralentiza su crecimiento hasta casi cero, dice.

Él y sus colegas del JCVI están recopilando una lista de “tareas celulares” basada en la última versión de su creación, JCVI-syn3.0a, que podría actuar como un plano de la lista mínima de tareas de una célula. Pero para unos 100 de estos genes, no pueden identificar lo que hacen que los hace esenciales.

Como siguiente paso, y con el apoyo de una subvención de la NSF de casi un millón de dólares, Glass y Adamala intentarán instalar el genoma JCVI-syn3.0a en un liposoma sintético que contenga la maquinaria necesaria para convertir el ADN en proteína, para ver si puede sobrevivir. En ese caso, tanto el software como el hardware de la célula serían sintéticos desde el principio.

Si pudiera crecer y dividirse, sería un paso tremendo. Pero muchos sostienen que para representar realmente un sistema vivo, también tendría que evolucionar y adaptarse a su entorno. Este es el objetivo con los resultados más imprevisibles y también los mayores desafíos, dice Schwille. “Una cosa que simplemente se hace a sí misma todo el tiempo no es vida – ¡aunque yo sería feliz con eso!”, dice. “Para que una célula esté viva, tiene que desarrollar nuevas funcionalidades”.

El equipo de Glass en el JCVI ha estado realizando experimentos de evolución adaptativa en laboratorio con JCVI-syn3.0a, seleccionando los organismos que crecen más rápido en un caldo rico en nutrientes. Hasta ahora, después de unas 400 divisiones, él y su equipo han obtenido células que crecen un 15% más rápido que el organismo original. Y han visto aparecer un puñado de cambios en la secuencia genética. Pero aún no hay pruebas de que el microbio desarrolle nuevas funciones celulares o aumente su aptitud a pasos agigantados.

Erb dice que averiguar cómo añadir evolución a las células sintéticas es la única manera de hacerlas interesantes. Ese poco de desorden en los sistemas biológicos es lo que les permite mejorar su rendimiento. “Como ingenieros, no podemos construir una célula sintética perfecta. Tenemos que construir un sistema autocorrectivo que mejore a medida que avanza”, afirma.

Las células sintéticas podrían darnos una idea de cómo podría ser la vida en otros planetas. Y los biorreactores sintéticos bajo el control total de un investigador podrían ofrecer nuevas soluciones para el tratamiento del cáncer, la lucha contra la resistencia a los antibióticos o la limpieza de lugares tóxicos. Liberar un organismo de este tipo en el cuerpo humano o en el medio ambiente sería arriesgado, pero un organismo diseñado desde arriba con comportamientos desconocidos e impredecibles podría ser aún más arriesgado.

Dogterom dice que las células vivas sintéticas también traen consigo otras cuestiones filosóficas y éticas: “¿Será esto una vida? ¿Será autónoma? La controlaremos?”. Estas conversaciones deben tener lugar entre los científicos y el público, dice. En cuanto a la preocupación de que las células sintéticas se desborden, Dogterom está menos preocupado. “Estoy convencido de que nuestra primera célula sintética será una pésima imitación de lo que ya existe”. Y como ingenieros de la vida sintética, ella y sus colegas pueden incorporar fácilmente controles o un interruptor de apagado que haga que las células sean inofensivas.

Ella y otros biólogos sintéticos seguirán avanzando en la exploración de las fronteras de la vida. “Es el momento adecuado”, dice Dogterom. “Tenemos los genomas, la lista de piezas. La célula mínima sólo necesita unos cientos de genes para tener algo que parezca vivo. Cientos de piezas es un reto tremendo, pero no son miles: eso es muy emocionante.”