En teoría, todas las estructuras biológicas, funciones e incluso organismos podrían recrearse en su imagen espejo, lo que lleva a infinitas posibilidades.Crédito: Getty
Esta semana, los expertos en biología sintética y microbiología, entre otros campos, se están reuniendo en Manchester, Reino Unido, para explorar los beneficios y los riesgos de construir la vida sintética. Uno de los temas que se discutirán es cómo la investigación podría estar restringida para evitar la creación de organismos hechos de componentes que son la imagen espejo de aquellos que componen la vida en la tierra. Días después de la reunión de Manchester, el problema se examinará en un Taller organizado por las Academias Nacionales de Ciencias, Ingeniería y Medicina de los Estados Unidos. Y Se planean otras reuniones.
Copias de enzima espejo de imagen que se ve en ADN de vidrio
La mayoría de las moléculas biológicas conocidas por compensar la vida en la Tierra tienen una mano o quiralidad específica. Los aminoácidos tienen quiralidad zurda, por ejemplo, mientras que el ADN es diestro. Debido a que las bacterias de imagen espejo u otras formas de vida sintética estarían hechas de moléculas de mano opuesta (así que con aminoácidos diestros y ADN zurado), la preocupación es que tales organismos podrían representar un peligro para la vida conocida1–3 (Ver también Go.nature.com/3hshyst y Go.nature.com/3vwuytw). Por ejemplo, algunos de ellos podrían ser capaces de evadir sistemas inmunes, confundir medicamentos, resistir la depredación y causar daños a los humanos, animales no humanos, plantas y ecosistemas2,3.
Prohibir la creación de moléculas o entidades biológicas de quiralidad que podrían poner en peligro la salud humana o la estabilidad ambiental debería ser poco controvertido. Y las discusiones temprano en el desarrollo de un campo, así como los esfuerzos para involucrar al público, pueden ser constructivas cuando se trata de garantizar que la investigación se realice de manera responsable y ética.
Pero ante las vastas incógnitas, el camino noble de proteger preventivamente a la humanidad de los riesgos potenciales en el futuro lejano puede ser resbaladizo. Y debemos pisar con cautela.
El concepto de un mundo biológico espejo de imagen no es nuevo. Fue propuesto por primera vez en 1860 por el químico y microbiólogo francés Louis Pasteur4. Y los beneficios potenciales y los riesgos de los organismos de imagen espejo han sido discutidos por la comunidad de investigación durante más de 30 años.1–3 (Ver también Go.nature.com/3hshyst y Go.nature.com/3vwuytw). Sin embargo, en los últimos meses, la conversación ha cambiado abruptamente a Pide límites duros en investigación y financiación básicos2.
En este punto, hay Vistas divergentes (ver Go.nature.com/46tgjvf y eletters de R. Derda et al. y D. Perrin en la Ref. 2) en qué tan pronto es posible crear organismos de imagen espejo; los beneficios potenciales y los riesgos de generar vida de imagen espejo y de desarrollar tecnologías precursoras; se debe imponer moratoria en la investigación; Y, si es así, qué áreas de estudio deberían estar restringidas.
Dadas las innumerables preguntas sin respuesta, la consideración cuidadosa de los hechos científicos aprendidos hasta ahora, con respecto a lo que se necesitaría para crear una forma de vida espejo de imagen, y los pros y los contras de la investigación sobre la biología molecular de los imágenes espejo de manera más amplia, es crucial para unir vistas divergentes y fomentar el debate racional e informado.
En el horizonte distante
En diciembre de 2024, casi 40 expertos, incluidos en biología sintética, ecología e inmunología, coautor de un artículo de foro de políticas en Ciencia2 y publicó un informe técnico separado de 299 páginas3. En ambos, los autores argumentaron que se creaban la vida de la imagen espejo, es muy probable que presenten riesgos sin precedentes para humanos, animales, plantas y ecosistemas.
Múltiples reuniones han seguido el Ciencia publicación, incluso en el Reino Unidoel Estados Unidos, Francia y el Países Bajos.
Pero, ¿qué tan cerca están los científicos de poder crear una forma de vida de espejo de imagen espejo?
Los científicos han estado reflexionando sobre la idea de un mundo de biología espejo de imagen durante más de un siglo.Crédito: Jorg Greuel/Getty
Docenas de grupos de investigación, incluidos los de las compañías farmacéuticas, han estado sintetizando e investigando proteínas de imagen de espejo, ADN y ARN durante las últimas tres décadas para comprender la biología fundamental y desarrollar terapéuticos5–14. Mis colegas y yo también hemos estado explorando varios procesos moleculares de imagen de espejo también. Estos incluyen la replicación del ADN de imagen espejo, la transcripción de ADN de imagen espejo en ARN de imagen espejo y la traducción del ARN de imagen espejo en proteínas de imagen espejo, en otras palabras, una versión de imagen espejo del dogma central de la biología molecular de la biología molecular7–11.
La investigación en biología molecular de imagen espejo todavía está en su infancia. Pero los científicos que trabajan en este campo han sido humillados por los tremendos desafíos de explorar este mundo desconocido5–14. La creación de organismos de imagen espejo, si alguna vez se volvía factible, enfrentaría barreras conceptuales y técnicas monumentales.
Cientos o miles de componentes celulares, incluidas proteínas, ácidos nucleicos, membranas, metabolitos y carbohidratos complejos llamados glicanos, necesitarían sintetizarse química o enzimáticamente en sus formas invertidas quiralmente. Algunos de estos están codificados directamente por ADN. Pero muchos son sintetizados o modificados por otra maquinaria biológica compleja, lo que significa que sus composiciones y estructuras no pueden simplemente derivarse de secuencias de ADN. Y muchos aún no han sido caracterizados.
Llevó a nuestro grupo casi cuatro años sintetizar químicamente un fragmento de proteína de imagen espejo de hasta alrededor de 470 aminoácidos9 -El polipéptido de imagen espejo de una cadena única más larga reportada hasta ahora. La sintetización de polipéptidos y proteínas de membrana más largos que son ricas en dominios repelentes al agua (hidrófobos) sería aún más difícil.
La conferencia de Asilomar tomó coraje y previsión: hoy, la inclusión también sería crucial
Del mismo modo, hemos estado tratando de sintetizar químicamente una versión altamente simplificada de un ribosoma de imagen espejo desde 2016, y todavía estamos a años de lograrlo. Si tengamos éxito, este ribosoma carecerá de modificaciones de proteínas y ARN y no tendrá sintetasas de aminoacil-tRNA (las enzimas responsables de unir aminoácidos específicos a sus ARN de transferencia correspondientes durante la biosíntesis de proteínas)8,11. Esto significa que podrá producir solo péptidos cortos y proteínas pequeñas (por ejemplo, de aproximadamente 300 aminoácidos)8.
Incluso si todas las moléculas constituyentes de la bacteria más simple pudieran sintetizarse en sus formas de imagen de espejo, estas necesitarían doblar correctamente y ensamblarse con precisión espacio-temporal para crear una bacteria espejo de imagen que funciona como una célula compleja y autónoma.
Muchos laboratorios han construido compartimentos no unidos a la membrana no vivos, en los que se pueden hacer copias de moléculas de ADN y ARN o en las que las moléculas de ARN se pueden traducir a proteínas. Aunque los investigadores han podido aislar ribosomas derivados biológicamente y otra maquinaria celular con quiralidad natural durante décadas, ningún laboratorio ha podido usar esta maquinaria para producir todos los componentes celulares esenciales in vitro.
Los investigadores aún no saben cómo ensamblar una célula autorreplicante de quiralidad natural a partir de bloques de construcción derivados biológicamente, y mucho menos cómo sintetizar químicamente una imagen espejo de la tierra. Y aunque se han propuesto otras estrategias para la creación de la vida de la imagen espejo (como la conversión gradual de una célula de quiralidad natural en una célula de imagen espejo2,3), no hay evidencia suficiente para apoyar su viabilidad.
En resumen, es crucial distinguir la biología molecular de la imagen espejo de la creación de organismos de imagen espejo. Una célula autorreplicante tiene diversidad molecular, complejidad metabólica y complejidad estructural que son órdenes de magnitud mayores de lo que se encuentra en cualquier sistema biomolecular actualmente sintetable. Y la creación de un organismo de imagen espejo se encuentra mucho más allá del alcance de la ciencia actual.
Infinitas posibilidades
Debido a que todas las estructuras biológicas, las funciones e incluso los organismos podrían recrearse en su imagen espejo, las posibilidades, buenas y malas, en un mundo de espejo son infinitas. Además de considerar los riesgos de los escenarios hipotéticos, como la creación de la vida de la imagen espejo, es importante tener en cuenta los beneficios realizados y potenciales de la investigación de biología molecular de la imagen espejo que ya está en camino5–14.
Cuando se administran a animales o humanos, los péptidos de imagen espejo y los medicamentos con ácidos nucleicos pueden desencadenar una respuesta inmune mucho más suave en comparación con sus contrapartes de quiralidad natural13. También son más resistentes a la biodegradación, lo que significa que una dosis puede permanecer en el cuerpo por mucho más tiempo. Las implicaciones para el descubrimiento de drogas son profundas.
Decenas de péptidos de imagen espejo, moléculas de ADN y ARN ya se están desarrollando como candidatos a fármacos para el cáncer, enfermedades metabólicas, enfermedades infecciosas y trastornos inflamatorios10,13. De hecho, un ribosoma sintetizado de imagen espejo probablemente aceleraría drásticamente el descubrimiento farmacéutico al permitir la producción de alto rendimiento de péptidos de imagen espejo8,11.
Se pueden imaginar todo tipo de otras aplicaciones posibles de moléculas de imagen espejo o entidades biológicas, particularmente en medicina y sostenibilidad.
La glucosa de imagen espejo tiene un sabor tan dulce como su contraparte de quiralidad natural, pero no proporciona calorías porque no es metabolizada por las enzimas que se encuentran en los organismos de quiralidad natural15. Esto significa que la glucosa de imagen espejo y otros azúcares de imagen espejo podrían servir como edulcorantes no talóricos u otros aditivos alimentarios.
Las moléculas de ADN de imagen espejo tienen la misma capacidad para mantener información que sus contrapartes de quiralidad natural, pero son más resistentes a la biodegradación y más fáciles de distinguir del ADN contaminante (quiralidad natural). Como tal, las moléculas de ADN de imagen espejo pueden servir como repositorios de información robustos9.
Las nanopartículas o nanocápsulas, construidas con proteínas de imagen espejo, podrían permitir la entrega segura de medicamentos al protegerlos del sistema inmune. Moléculas de ADN o ARN de imagen espejo diseñadas para detectar la presencia de ciertas proteínas y metabolitos humanos, como la trombina10 y guanina11podría usarse como biosensores de diagnóstico en entornos clínicos.
Mientras tanto, las versiones de las enzimas de imagen espejo que son capaces de degradar los plásticos que no tienen quiralidad podrían ofrecer una solución a la contaminación plástica12. Al igual que sus contrapartes de quiralidad natural, tales enzimas pueden descomponer los plásticos, pero son más resistentes a la biodegradación. En principio, las versiones de la imagen de espejo de las enzimas que pueden capturar el carbono podrían usarse de manera similar para ayudar a abordar el cambio climático.
Las bacterias que consumen plástico, que se muestran en la impresión de este artista, contienen enzimas que degradan los plásticos. Las versiones de imagen de espejo bioestables de estas proteínas podrían ofrecer una solución a la contaminación plástica.Crédito: Thomas Parsons/Science Photo Library
Además de proporcionar soluciones para todo tipo de problemas prácticos, la investigación básica sobre biología a través del vidrio de aspecto podría ofrecer información sobre las estructuras y funciones de las biomoléculas. Podría arrojar luz sobre el origen de la homoquiralidad (el dominio de un conjunto de moléculas quirales en formas de vida conocidas), e incluso sobre el origen de la vida.11. Podría guiar las búsquedas de nuevas formas de vida, por ejemplo, tanto en la Tierra como en otros planetas.
Por supuesto, las propiedades mismas que prometen hacer que las proteínas de imagen espejo y los ácidos nucleicos sean tan útiles en tantos contextos, su bioestabilidad y tendencia a inducir solo una respuesta inmune leve en humanos y otros organismos, también podrían hacer que ciertos organismos de imagen espejo dañen1–3 (Ver también Go.nature.com/3hshyst y Go.nature.com/3vwuytw).
El potencial de daño necesita una consideración cuidadosa. Pero quedan muchas preguntas. Por ejemplo, una bacteria de imagen espejo contendría moléculas como los glucanos que, en formas conocidas de vida, exhiben menos quiralidad uniforme que las proteínas, el ADN y el ARN. Esto podría significar que una bacteria de imagen espejo podría provocar una respuesta inmune más fuerte en humanos y otros organismos que las proteínas de imagen espejo, ADN o ARN de forma aislada (ver Eletter por R. Derda et al. en la Ref. 2).
