Órganos artificiales: ¿dónde están los límites?

Impresión 3D de un riñón

Biología sintética e ingeniería de tejidos: creando los modelos biológicos del futuro

 

La creación de nuevos organismos vivos es uno de los objetivos finales de la biología sintética. Esta rama de la ciencia apareció a principios del siglo XXI y, desde entonces, hemos visto a científicos manipular genéticamente bacterias para que degraden polímeros de plástico o incluso fabricar riñones humanos mediante las impresoras 3D.

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Podríamos imaginar, y tal vez diseñar nuevos órganos que lleven a cabo -e incluso mejoren- las funciones de los órganos ya existentes”

UPF / A medida que avanzan la biología sintética y también la ingeniería de tejidos, resulta necesario conocer los límites de lo posible en lo que a nuevos organismos se refiere. ¿Son viables todas las estructuras biológicas que podemos imaginar? Si no es así, ¿cuáles son las limitaciones y qué las impone? Científicos del Laboratorio de Sistemas Complejos de la UPF buscan responder esta pregunta a través de un morfoespacio en el que incorporan tanto estructuras naturales como artificiales y proponen utilizar la biología sintética como herramienta para indagar en aquellos caminos inexplorados por la evolución.

 

Los límites de lo biológicamente posible

Los avances de cada una de estas disciplinas, biología sintética e ingeniería de tejidos, han sido notorios. Entre ellos podemos destacar la creación de los llamados organs-on-a-chip, dispositivos que recrean a microescala las funciones de un órgano real y permiten su estudio, o la creación de organoides en cultivos 3D, que llevan a cabo procesos de desarrollo generando una estructura similar a los órganos naturales, teniendo la autoorganización un papel crítico. Sin embargo, estos ejemplos se basan en imitar órganos o funciones que ya existen en la naturaleza.

Instituto Wyss de Harvard ha simulado órganos, incluyendo el pulmón. /  Instituto Wyss
El Instituto Wyss de Harvard ha simulado órganos, incluyendo el pulmón. / Instituto Wyss

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Tal y como proponen los autores de este estudio, no hay ninguna razón para limitarnos a fabricar órganos y tejidos tal y como existen en la naturaleza. Podríamos imaginar, y tal vez diseñar nuevos órganos que lleven a cabo -e incluso mejoren- las funciones de los órganos ya existentes. Esta fisiología mejorada podría incluir funciones completamente nuevas o incluso la capacidad de diagnosticar y curar enfermedades. Un ejemplo ya existente es la generación de oídos biónicos con una antena de bobina integrada (“órganos cyborg”).

Pero cuando hablamos de biología sintética e ingeniería de tejidos, existen ciertas restricciones que nos dificultan el progreso. Esto no significa que debamos cohibirnos a la hora de diseñar estructuras celulares complejas, sino que es necesario establecer (y comprender) los límites asociados a la organización de las estructuras biológicas.

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El morfoespacio

Los tres ejes que conforman el morfoespacio son: la complejidad de desarrollo, la complejidad cognitiva y el estado físico

Muchas de las nuevas estructuras y funciones biológicas se encuentran lejos del camino marcado por la evolución. Si nos liberásemos de los límites vinculados a los procesos embrionarios, entrarían en juego nuevas reglas quizás asequibles para la ingeniería biológica”. Para explorar los huecos dejados por la evolución, hemos de categorizar las estructuras conocidas en función de un conjunto de variables. Estas variables definen el morfoespacio en el que las estructuras se ordenan, mostrando aquellas regiones olvidadas por la evolución.

El equipo liderado por Ricard Solé ha definido este morfoespacio de órganos y organoides con el que contemplar el universo de todas las estructuras biológicas posibles. Los tres ejes que lo conforman son: la complejidad de desarrollo, la complejidad cognitiva y el estado físico.

morphospace Complex Systems Lab UPF_editedLos grados de complejidad de desarrollo abarcan desde las mezclas de células que no se relacionan entre sí, hasta los órganos totalmente desarrollados, con células que interactúan entre ellas y llevan a cabo una misma función, como sería, por ejemplo, el hígado. Sistemas poco desarrollados serían los llamados quimiostatos, cultivos bacterianos utilizados comúnmente en la industria para la elaboración de sustancias determinadas, como algunos antibióticos.

En cuanto al grado de complejidad cognitiva, se define como la capacidad de los órganos para recibir información y procesarla. Así, el cerebro, con sus innumerables conexiones neuronales y su plasticidad, o el sistema inmune, con la capacidad de detectar tanto amenazas nuevas como las ya conocidas y responder ante todas ellas, suponen dos ejemplos del más alto grado de complejidad cognitiva.

El tercer eje del morfoespacio, el estado físico, toma como referencia las fases de la materia inorgánica y pretende describir la movilidad de los componentes de los órganos y organoides. Así pues, encontramos a la gran mayoría de las estructuras biológicas en estado “sólido”, con algunos notables contraejemplos como la sangre o el microbioma, caracterizados por una mayor movilidad de sus elementos.

Tomando estos tres ejes, el equipo de investigación ha realizado una instantánea del panorama actual de las estructuras biológicas posibles. Una de las características más interesantes del morfoespacio es la presencia de un espacio vacío que puede tener dos significados. El primero es que no sea posible la combinación propuesta en esa región. El segundo, mucho más alentador, es que se trata de diseños inaccesibles para la evolución en condiciones naturales pero que sí podrían ser alcanzables mediante estrategias de ingeniería biológica. En cualquier caso, el morfoespacio supone una herramienta muy útil para plantear las posibilidades de éxito que tendrían nuevos diseños biológicos.

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Trabajo de referencia:

Aina Ollé-Vila, Salva Duran-Nebreda, Núria Conde-Pueyo, Raúl Montañez, Ricard Solé. A morphospace for synthetic organs and organoids: the possible and the actual. Integrative Biology, 2016, 8, 485 – 503. April 2016. DOI: 10.1039/C5IB00324E

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