La creació de nous organismes vius és un dels objectius finals de la biologia sintètica. Aquesta branca de la ciència va aparèixer a principis del segle XXI i, des d’aleshores, hem vist científics manipular genèticament bacteris per a què degradin polímers de plàstic o fins i tot fabricar ronyons humans mitjançant les impressores 3D. A mesura que avancen la biologia sintètica i l’enginyeria de teixits, resulta necessari conèixer els límits del possible en el referent a nous organismes. Són viables totes les estructures biològiques que podem imaginar? Si no és així, quines són les limitacions i què les imposa? Científics del Laboratori de Sistemes Complexos de la UPF han definit l’espai de les estructures biològiques conegudes i proposen utilitzar la biologia sintètica com a eina per indagar en aquells camins inexplorats per l’evolució.

Els límits del biològicament possible

Els avenços de cadascuna d’aquestes disciplines, biologia sintètica i enginyeria de teixtis, han estat notoris. Entre ells podem destacar la creació dels anomenats organs-on-a-chip, dispositius que recreen a microescala les funcions d’un òrgan real i permeten el seu estudi, o la generació d’organoids en cultius 3d, que porten a terme processos de desenvolupament generant una estructura similar als òrgans naturals, tenint la auto-organització un paper crític. No obstant, aquests exemples es basen en imitar òrgans o funcions que ja existeixen en la natura. Tal i com proposen els autors, “no hi ha cap motiu per limitar-nos a fabricar òrgans i teixits tal i com existeixen a la natura. Podriem imaginar, i tal vegada dissenyar nous òrgans que portin a terme i fins i tot millorin les funcions dels òrgans ja existents.”  Aquesta fisiologia millorada podria incloure funcions completament noves o fins i tot la capacitat de diagnosticar i curar malalties. Un exemple ja existent de millora de la capacitat és la generació d’orelles biòniques amb una antena de bobina integrada (“òrgans cyborg”).

Però quan parlem de biologia sintètica i enginyeria de teixits, existeixen certes restriccions que ens dificulten el progrés. Això no significa que haguem de cohibir-nos a l’hora de dissenyar estructures cel·lulars complexes, sinó que és necessari establir (i comprendre) quins són els límits associats a la organització de les estructures biològiques.

El morfespai

Moltes de les noves estructures i funciones biològiques es troben lluny del camí marcat per l’evolució. “Si ens alliberèssim dels límits vinculats als processos embrionaris, entrarien en joc noves regles potser assequibles per a l’enginyeria biològica.” Per explorar els racons allunyats de l’evolució, els científics han categoritzat les estructures conegudes en funció de certes variables. Aquestes variables són les que defineixen el morfoespai en el que les estructures s’endrecen, mostrant aqueles regions oblidades per l’evolució.

L’equip liderat per Ricard Solé ha definit el morfoespai d’òrgans i organoids amb el que contemplar l’univers de totes les estructures biològiques possibles. Els tres eixos que el conformen són: la complexitat del desenvolupament, la complexitat cognitiva i l’estat físic. Els graus de complexitat de desenvolupament van des de les  barreges de cèl·lules que no es relacionen entre elles, fins els òrgans totalment desenvolupats, amb cèl·lules que interactuen i porten a terme la mateixa funció, com seria, per exemple, el fetge. Sistemes poc desenvolupats serien els anomenats quimiostats, cultius bacterians utilitzats comunament en la indústria per a l’elaboració de subst`pancies determinades, com alguns antibiòtics. Quant al grau de complexitat cognitiva, es defineix com la capacitat dels òrgans per rebre informació i processar-la. Així, el cervell, amb les seves innumerables conexions neuronals i la seva plasticitat, o el sistema immunitari, amb la capacitat de detectar tant amenaces noves com les ja conegudes i respondre davant de totes elles, suposen dos exemples del grau més alt de complexitat cognitiva. El tercer eix del morfoespai, l’estat físic, pren com a referència les fases de la matèria inorgànica i pretén descriure la mobilitat dels components dels òrgans i organoids. Així doncs, trobem la gran majoria de les estructures biològiques en estat sòlid, amb alguns contraexemples notables com la sang o el microbioma, caracteritzats per una major mobilitat dels seus elements.

Prenent aquest tres eixos, l’equip de recerca ha realitzat una instantània del panorama actual de les estructures biològiques possibles. Un dels trets més interessants del morfoespai és la presencia d’un espai buit que pot tenir dos significats diferents. El primer és que no sigui possible la combinació proposada en aquesta regió. El segon, molt més encoratjador, és que es tracta de dissenys inaccessibles per l’envolució en condicions naturals però que sí podrien ser assolibles mitjançant estratègies d’enginyeria biològica. En qualsevol cas, el morfoespai suposa una eina molt útil per plantejar les possibilitats d’¡èxit que tindrien nous dissenys biològics.

Treball de referència: 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