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La vida en ‘software’

El Instituto Venter y la Universidad de Stanford replican por primera vez el ciclo de una bacteria

La técnica abre la vía a ensayos virtuales de fármacos para curar enfermedades

EL BIÓLOGO GRAIG VENTER.
EL BIÓLOGO GRAIG VENTER. EL PAÍS

La cada vez más estrecha relación entre la biología y la informática sigue dando sus frutos. Un equipo de científicos estadounidenses ha diseñado por vez primera un programa capaz de reproducir los procesos biológicos de un ser vivo, en este caso, el ciclo vital completo de una bacteria unicelular. Nunca hasta ahora se había conseguido contar con un modelo digital de un organismo completo. Y aunque por sí mismo no va a servir para curar a nadie, el anuncio abre las puertas al desarrollo de modelos virtuales más 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 bastaría con el teclado del ordenador.

 “La vida es un sistema regido por un software, que es el genoma”, ha comentado en alguna ocasión el investigador (y hombre de negocios) Craig Venter. Un artículo 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 biólogo estadounidense, ha llevado estas palabras a una dimensión real al conseguir condensar la vida de la bacteria Mycoplasma genitalum en un programa informático.

La elección 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 infección de transmisión 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 está relacionada con su patogenicidad, sino con su simplicidad. Con solo 485 genes (582.000 pares de bases) y un único cromosoma es la bacteria con vida independiente con el genoma más sencillo. Gracias a esta estructura tan elemental (una bacteria clásica de la experimentación científica 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 más sencillo

El hecho de conocer de forma detallada el comportamiento molecular de la célula permite trasladar todos estos procesos al programa informático y poder reproducirlos en el ordenador. Sería como un simulador informático, del tipo, por ejemplo, que emplean los equipos de fórmula 1 para experimentar mejoras en los bólidos sin necesidad de salir a la pista. “Imaginemos que se desea mejorar el perfil aerodinámico del coche con el uso de un alerón diferente. El programa de simulación incorporaría los parámetros de la nueva pieza y arrojaría un resultado sobre si compensan o no las variaciones introducidas”, relata Dopazo. “Algo similar ofrece este modelo ya que se puede analizar cómo reacciona la bacteria al alterar los procesos internos a través, por ejemplo, del empleo de fármacos”.

“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 debería 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 acompaña el artículo, también en Cell. “Es una enorme tarea, tanto en lo que respecta a la interpretación como la integración de la cantidad ingente de datos que se ha utilizado”, añaden. Pese a todo, los propios autores hablan, de momento, de un primer borrador del modelo.

Joaquín Dopazo, director científico del Centro de Investigación Príncipe Felipe (CIPF) de Valencia y responsable del Instituto de Genómica Computacional del mismo centro, compara con una gigantesca ecuación esta compilación y empaquetamiento informático de procesos que describen cuestiones como la replicación celular, el metabolismo interno o la generación de energía.

Reproducir el proceso de división celular cuesta entre nueve y diez horas

Hasta el momento, se había conseguido reproducir en el ordenador procesos celulares aislados.

El hecho de haber creado un modelo informático integral de un organismo vivo “es una prueba para los escépticos de que la modelización puede ser un instrumento válido”, explica el investigador. Sin embargo, hasta que se logre conocer, primero, y sistematizar, después, en una plataforma informática los procesos que tienen lugar en una célula humana pasará algún tiempo. “Será necesaria mucha capacidad de cálculo”, advierte.

Por ahora, para dar este primer paso, los autores explican en el artículo que compilaron información de más de 900 publicaciones científicas, así como, entre otros aspectos, una clasificación de las interacciones de 28 tipos de moléculas (DNA, RNA, proteínas y residuos del metabolismo celular conocidos como metabolitos). La información que maneja el modelo es tal que reproducir en el simulador el proceso de división celular cuesta entre nueve y diez horas, casi el mismo tiempo que necesita la célula para dividirse en el medio natural.

No tan simple

JAVIER SAMPEDRO

La versión biológica de Mycoplasma genitalium es una de las bacterias más pequeñas conocidas, y por tanto uno de los organismos más simples del planeta, con solo 485 genes —40 veces menos que una célula humana— y poco más de un centenar de metabolitos, o moléculas orgánicas pequeñas que se van formando y consumiendo durante la actividad vital de la célula. Incluso es capaz de vivir dentro de las células humanas. Desde hace años no solo se conoce su genoma, sino también lo que ocurre cuando se muta cada uno de sus genes. El micoplasma se podría ver como el átomo de hidrógeno de la biología, su sistema autónomo más estilizado, y por tanto el más fácil de modelar.

Su versión virtual, o simulada, es un programa informático de tal complejidad que necesita un agregado de 128 ordenadores y tarda 10 horas en simular una sola división celular, que es la más simple de las operaciones que cabe concebir en una célula viva. La Escherichia coli que vive en el intestino humano, que es una bacteria mucho más compleja que el micoplasma, con más de 4.000 genes, solo tarda 20 minutos en dividirse. Estos simples números revelan que la fuerza bruta de computación no está más cerca de emular las operaciones básicas de la célula viva que Deep Blue de funcionar como un cerebro humano, con perdón de los ajedrecistas.

Pero las células simuladas serán de gran utilidad mucho antes de que los biólogos moleculares, los científicos de la computación y los filósofos del futuro entiendan las razones profundas de esas odiosas comparaciones. La razón principal es que hacer experimentos es mucho más rápido en un organismo virtual que en uno real.

Una técnica esencial en la investigación de nuevos fármacos es el rastreo de centenares de miles o millones de moléculas —auténticas bibliotecas combinatorias de compuestos químicos— en busca de una o unas pocas que muestren actividad contra la enfermedad en cuestión. Estos rastreos masivos, como es natural, no se pueden hacer en pacientes humanos, y hasta ahora se han utilizado animales de experimentación o algún tipo de modelo biológico, como células en cultivo. Ahora se abre la posibilidad de utilizar bibliotecas de moléculas virtuales y simuladores de células o de organismos para este propósito. No solo la Big Pharma, sino también la farmacología académica y la genómica aplicada, se podrán beneficiar de esta estrategia.

Lo mismo vale para la creación de otras moléculas de interés industrial, como nuevos catalizadores y componentes de nanomateriales, y de biocombustibles que no requieran arruinar más bosques y sean compatibles con la nutrición humana y el cuidado del entorno.

De las nuevas simulaciones de organismos, una parte de la biología computacional, cabe decir lo mismo que de la biología de sistemas en su versión tradicional, o basada en bacterias de verdad. La biología de sistemas y su versión computacional se basan en el conocimiento total de un sistema vivo autónomo. Hasta ahora se habían simulado redes de genes con una regulación común, o módulos del metabolismo, la cocina de la célula. Ahora hablamos de simular un ser vivo completo y autónomo, aunque sea el más simple imaginable. También Dios tendría que empezar por algo.

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