“Nosotros no hacemos biología; hacemos ingeniería con piezas biológicas”

El laboratorio dirigido por Javier Macía en la UPF aplica los principios de ingeniería a problemas biológicos o ambientales, desde la diabetes a los residuos ganaderos, pasando por la comunicación celular.

Los miembros del laboratorio de biología sintética para aplicaciones biomédicas del DCEXS-UPF son ingenieros, biomédicos y biólogos. El líder del grupo, Javier Macías, es físico.

Los miembros del laboratorio de biología sintética para aplicaciones biomédicas del DCEXS-UPF son ingenieros, biomédicos y biólogos. El líder del grupo, Javier Macías, es físico.

Desde enero del 2018, Javier Macía dirige el laboratorio de biología sintética para aplicaciones biomédicas en el Departamento de Ciencias Experimentales y de la Salud, Universidad Pompeu Fabra (DCEXS-UPF) – a pesar de que trabajan también en productos industriales y medioambientales.

“Nosotros no hacemos biología; hacemos ingeniería, pero utilizando como piezas elementos biológicos”, explica el jefe del grupo. Una parte de la investigación del grupo, más fundamental, intenta entender los principios detrás de los dispositivos biológicos que generan. Los circuitos genéticos siguen las mismas leyes que los eléctricos; cuando subes la expresión de un gen, baja la del otro, porque los recursos celulares son limitados. Por eso cuando se ponen piezas juntas no funcionan igual que por separado. Y por eso hay que entender el funcionamiento y hacer modelos matemáticos y predicciones antes de crear los sistemas.

 

Los circuitos genéticos siguen las mismas leyes que los eléctricos; cuando subes la expresión de un gen, baja la del otro, porque los recursos celulares son limitados.

 

Macía hace una analogía con la ingeniería: “en biología sintética todavía estamos en la etapa de poner un camión sobre el puente después de haber hecho el puente, a ver si se aguanta; si no, lo construimos de nuevo de otro modo”. Entender los principios detrás de lo que diseñan ayudaría a poder hacer predicciones y evitar los costes de este modo de trabajar por ‘prueba y error’.

El grupo es pequeño – cinco estudiantes de doctorado, más algunos colaboradores externos – pero entre proyectos propios y colaboraciones, tienen cinco proyectos en marcha. “Los miembros del grupo tienen un interés muy multidisciplinario; todos participan en todos los proyectos, y todos tocan tanto la parte experimental como la computacional”, explica el líder del laboratorio.

 

Cápsulas contra la diabetes

El grupo cuenta con una ayuda de «La Marató» – junto con el grupo de Francesc Posas, actualmente en el IRB, el Hospital San Juan de Dèu y la Universidad de Vitoria –  para construir unos dispositivos celulares que controlen los niveles de glucosa. Se trata de células humanas manipuladas genéticamente para tener unos sensores de glucosa que, cuando sea necesario, generen insulina y la secreten. En Vitoria han ‘encapsulado’ estas células (han creado unas nanocápsules donde las células quedan atrapadas). Estas cápsulas están ahora siendo inyectadas en ratones. Este sistema de cápsulas tiene la ventaja que es reversible, porque no se integran en ninguna parte, sino que quedan aisladas, ‘flotando’ en el tejido, de forma que se podrían sacar si hiciera falta, explica Macía.

También han desarrollado un algoritmo que encuentra las ingestas idóneas para controlar las curvas glucémicas y han confirmado, en ratones, que tan solo modulando los patrones de comida, se pueden reducir las curvas de hiperglucemia. “Combinar las cápsulas y los patrones de ingesta sería muy interesante”, dice el físico. Pero la modulación de la ingesta por sí sola es, de hecho, ya interesante, sobre todo para personas con pre-diabetes tipo II. Estas podrían evitar llegar a pincharse insulina si controlan cuando y como comen, siguiendo las indicaciones del algoritmo. “El modelo computacional que estamos usando de la fisiología humana es muy bueno; de hecho, está aprobado por la FDA para su utilización en ensayos clínicos”, confirma el científico. “Nuestro objetivo final sería tener una app o algo parecido que sugiera a los diabéticos qué comer y cuando, y que les recalcule la dieta si por ejemplo no han podido evitar comer un cruasán cuando no tocaba…”.

 

Nuestro objetivo final sería tener una app o algo parecido que sugiera a los diabéticos qué comer y cuando para controlar su glucemia

 

Células inteligentes

Otro de los proyectos del grupo – más exploratorio y financiado por las Fuerzas Aéreas (U.S. Air Fuerzo) y la Armada de Estados Unidos  (U.S. Navy) – consiste en crear sistemas celulares con capacidad de autoaprendizaje. Hace años que los científicos son capaces de diseñar células que detectan la presencia de ciertos marcadores y responden según la combinación de estos marcadores. Pero el grupo se plantea si las células podrían autoprogramarse, es decir modificar su ADN ellas mismas en función de las señales que reciban.

“Lo que hemos hecho ha sido construir células que tienen todos los circuitos genéticos posibles, pero inactivados. La idea es que la célula, cuando se encuentre una combinación de señales específica, la reconozca y modifique su ADN; con recombinasas, cortando por aquí y enganchando por allá, de forma que acabe teniendo el circuito específico de interés, de entre todos los potenciales que tenía inicialmente. “Esto sería útil por ejemplo si las células están en localizaciones donde no podemos ir para programarlas nosotros, como por ejemplo una estación espacial”, afirma el jefe del grupo.

 

Sensores de papel

Un tercer proyecto, relacionado con este último y financiado por un Plan Nacional, intenta hacer circuitos de células sensoriales que detecten una combinación de señales compleja. Curiosamente, estas células las están imprimiendo en papel, con “tintas celulares”. Con una impresora de tinta normal, llenan los cartuchos con un medio de cultivo celular más un agente espesante. Cada cartucho tiene un tipo de células diferentes. Al imprimirlas, las células quedan atrapadas dentro del papel, donde siguen creciendo y son capaces de liberar señales que viajan por el papel y llegan a otras células.

 

Al imprimirlas, las células quedan atrapadas dentro del papel, donde siguen creciendo y son capaces de liberar señales que viajan por el papel y llegan a otras células.

 

La razón para hacer esto en papel es eminentemente práctica; es barato y fácil de adaptarlo a uso industrial – se pueden imprimir 10,000 unidades al día -, así como muy reproducible, porque las impresoras son muy precisas. Uno de los potenciales usos, según Macía, seria para identificar, por ejemplo, el riesgo de preeclampsia. Este no depende de un único marcador, sino de una compleja combinación de parámetros. Este conjunto de células (diferentes células viviendo en diferentes lugares del papel y comunicándose entre ellas) podrían utilizarse como una tira reactiva para detectar diferentes marcadores, analizarlos y determinar el riesgo de una mujer embarazada de sufrir este trastorno.

 

Una spin off para descontaminar

El proyecto más potente del grupo ahora mismo, BIOM, nació con una clara orientación de transferencia tecnológica. De hecho, tiene previsto convertirse en una spin off (con participación de la UPF) este otoño. “Todo empezó cuando un inversor privado nos contactó con un problema de excrementos”, sonríe Macía. “Inicialmente era casi un hobbie, pero vimos que tenía potencial, y lo llevamos a la universidad. Conseguimos financiación del programa ‘Semilla producto’ de AGAUR, y ahora estamos buscando inversores”. El proyecto consiste en valorizar los residuos ganaderos, concretamente los purines (residuos orgánicos líquidos).

Hay 8 millones de cerdos en Cataluña; junto con China y Alemania, es de las regiones con un mayor consumo de cerdo. Y un cerdo genera unos 6 litros de purines al día. De hecho, la Generalitat ha aprobado una moratoria de dos años; no se pueden abrir nuevas explotaciones porcinas, ni ampliar de existentes, porque el problema de contaminación es grave, con más del 47% de los acuíferos contaminados.

Ya hace tiempo que se utiliza la biotecnología para modificar microorganismos que ayuden a descontaminar o eliminar residuos. Pero si estos sistemas no dan dinero, no son sostenibles desde un punto de vista económico. De hecho, esto ya ha sucedido varias veces, explica el investigador; buenas iniciativas han muerto cuando han llegado las crisis porque han dejado de recibir financiación. Por eso, el grupo se ha planteado no tan solo eliminar el problema (en este caso los purines), sino transformarlo en algo útil – y con valor comercial.

 

La biotecnología permite modificar microorganismos que ayuden a eliminar residuos, pero muchos de estos sistemas no son sostenibles a nivel económico. El grupo de Macía ha encontrado cómo reconvertir estos residuos en algo útil y con valor.

 

En concreto, están convirtiendo los purines en bioplásticos y adhesivos para madera. “Los adhesivos que se utilizan para compactar la madera, tradicionalmente están hechos de urea y formaldehído, pero ahora se sabe que éste es cancerígeno cuando pasa a fase gaseosa. La Unión Europea está haciendo una normativa muy restrictiva, pero no hay alternativa industrial real… Nosotros estamos creando una”. Los investigadores usan unas cepas bacterianas fotosintéticas que absorben los contaminantes de los purines y producen una serie de polisacáridos con propiedades adhesivas y de resistencia ideales para este uso.

Aparte de descifrar la tecnología, hay que tener en cuenta el coste de llevar esto a la práctica. “En un contexto académico normalmente no se tienen en cuenta los costes del mercado, y es esencial hacerlo. En nuestro caso, por ejemplo, no sería factible transportar los purines a una factoría de procesamiento de purines si está a más de 10km de la explotación ganadera, ¡porque el coste del transporte sería mayor que el beneficio!”. Pero los científicos han encontrado una solución: han creado un nuevo tipo de fotobioreactor, con una capacidad de 40.000 litros, que permite procesar los purines in situ, en las propias granjas. Ahora están estudiando como licenciar esta tecnología, a la vez que construyendo una planta piloto.

Este sistema también podría servir para tratar las aguas residuales humanas, y el grupo está ya en contacto con Aguas de Barcelona. “Me gusta porqué nuestros proyectos son muy diversos. ¡Y son divertidos!”, concluye Macía.

 

Podéis escuchar a Javier Macía y la estudiante de doctorado Sira Mogas explicando su trabajo en este vídeo (en catalán).

 

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