Los científicos exploran cortafuegos ecológicos para la contención de microbios sintéticos

En un estudio reciente publicado en iCiencialos investigadores describieron cortafuegos ecológicos (EFW) para contener microbios sintéticos.

Fondo

Los científicos han estado diseñando y modificando sistemas vivos desde el advenimiento de la biología sintética. Esta disciplina emergente ha sido fundamental para proporcionar herramientas para estudiar la naturaleza y desarrollar aplicaciones biomédicas. Su éxito se destaca al expandir su dominio de aplicación para problemas de nivel superior, incluido el diseño de ecosistemas sintéticos, dinámica no lineal en células, biocomputación más allá de circuitos simples o diseños multicelulares.

Últimamente, se ha sugerido que la biología sintética podría ayudar a proteger y restaurar ecosistemas existentes en peligro de transición(es) catastrófica(s). La rápida aceleración del impacto antropogénico en la biosfera ha provocado un nuevo debate en torno a la necesidad de utilizar la biología sintética como un enfoque emergente para estos problemas.

Una de las preocupaciones importantes con los microbios modificados desplegados son las implicaciones potenciales sobre los resultados evolutivos desconocidos y los ecosistemas locales. La biocontención es otra preocupación considerable en la biología sintética. La mayoría de las estrategias propuestas tratan con herramientas que minimizan las interacciones de las cepas sintéticas con las formas de vida que las rodean.

En la práctica, estos escenarios incluyen microorganismos diseñados para degradar sustratos tóxicos y modificar los microbiomas intestinales o vegetales. No obstante, un cortafuegos adecuado podría proporcionar una (bio)contención predecible. En el estudio actual, los investigadores describieron cinco EFW para construir nuevas comunidades sintéticas en condiciones controladas.

Cortafuegos sintético consumidor de recursos

Este enfoque sistémico de los EFW se ocupa de grandes cantidades de xenobióticos antropogénicos, como derrames de plástico o petróleo, y los desafíos asociados con su eliminación segura. Utilizando el enfoque de la ecología de sistemas, los autores definieron las condiciones de seguridad y eficacia. El propósito del EFW es estabilizar una comunidad microbiana sintética que degradaría un sustrato dado introducido en el sistema a cualquier velocidad dada.

Cuando el sustrato se descompone, la cepa sintética debería desaparecer. Este EFW está diseñado como un motivo de ‘función y muerte’, lo que significa que la cepa introducida (sintética) se extinguiría una vez que se haya realizado la función.

Cortafuegos mutualista sintético

En los ecosistemas semiáridos y áridos, el objetivo (de EFW) sería un diseño sintético que pudiera mejorar las condiciones de la comunidad para lograr un estado saludable y preservar la diversidad. Esto podría lograrse mediante el uso de cianobacterias de una comunidad residente y su ingeniería para sintetizar una molécula/compuesto para mejorar la humedad del suelo.

Como tal, la calidad mejorada del suelo permitiría una vegetación más estable, lo que ayudaría a mejorar la calidad del suelo donde vive la cepa sintética. Es importante destacar que ninguno desplazaría al otro porque se requiere el equilibrio de dos componentes dependientes positivos para la cooperación.

Firewall parásito sintético

En este caso, una cepa sintética cumple una función y se beneficia de la comunidad residente al explotar sus recursos y actuar como inhibidor. Un ejemplo sería diseñar un microbio para fijar el dióxido de carbono utilizando hormigón de infraestructuras civiles, que alberga múltiples especies de bacterias en sus grietas.

La cepa sintética podría beneficiarse de la actividad metabólica de la comunidad residente (bacteriana) que utiliza hormigón como sustrato. Al mismo tiempo, la cepa sintética debería evitar la extinción, lo que se puede lograr inhibiendo/antagonizando a la comunidad residente con antibióticos bacteriostáticos.

Cortafuegos de estigmergia sintética

Este EFW trata el fenómeno de la estigmergia, donde la retroalimentación en una población que da como resultado un andamio material (por ejemplo, un nido de insectos) actúa sobre otras modificando su comportamiento. La relevancia potencial de la estigmergia en colonias microbianas ha sido reconocida en los últimos años. El comportamiento multicelular que exhiben las bacterias podría ser utilizado, particularmente en el proceso de construcción de nichos basados ​​en la formación de biopelículas.

Se estima que la mayoría de las bacterias viven en biopelículas, lo que podría ser una forma óptima de cooperar en entornos como ríos o superficies oceánicas. Este EFW podría ser aplicable en la remediación ambiental. El microbio sintético podría ayudar a eliminar sustancias potencialmente peligrosas (drogas o metales pesados) y almacenarlas de forma segura en la matriz extracelular de la biopelícula.

Cortafuegos de cooperación indirecta

Los derrames tóxicos son perjudiciales para los ríos y cuerpos de agua costeros, con múltiples resultados (adversos). Destruyen la vida silvestre y los hábitats, causando estragos en las economías locales a medida que los recursos (peces) se contaminan. Este EFW comprende tres componentes: 1) comunidad residente (ecosistema contaminado), 2) cepa sintética y 3) toxina.

La cepa sintética no se vería afectada por la toxina, es decir, las bacterias que utilizan la toxina como fuente de carbono. La cepa introducida elimina la toxina en el ecosistema a un ritmo determinado. Debido a que el microbio sintético tiene un efecto inhibitorio sobre la toxina, el impacto general de la cepa sintética en la comunidad residente sería positivo.

Esto se conoce como mutualismo indirecto; es decir, el intercambio neto entre la comunidad residente y la cepa sintética es cooperativo. A medida que la toxina se descompone, la cepa introducida disminuye pero se retiene en niveles mínimos. De esta manera, el EFW promueve la diversidad mientras mantiene la cepa sintética incluso con niveles bajos de la toxina.

Conclusiones

En resumen, los investigadores describieron (cinco) formas de contención de microbios modificados. Aunque el enfoque de control habitual se basa en un diseño de circuito de genes de arriba hacia abajo, con bioseguridad diseñada a niveles celulares, el equipo proporcionó una fuente de control de abajo hacia arriba. Además, los EFW presentados aquí deben usarse para probar estrategias de terraformación en un marco de microcosmos o mesocosmos.