Matthew Pava, neurotecnólogo y biotecnólogo, comenzó su trayectoria científica estudiando los fundamentos del cerebro humano y cómo procesa las señales fisiológicas. Tras obtener su doctorado y completar una beca en los Institutos Nacionales de la Salud, se incorporó a Lockheed Martin, donde aplicó sus conocimientos biológicos para ayudar a la empresa a desarrollar equipos de colaboración humano-máquina. Durante su estancia allí, lideró un proyecto financiado por DARPA, la principal organización de investigación y desarrollo militar.

“Desde el principio supe que era un lugar al que quería ir”, dice Pava sobre la agencia, a la que finalmente se unió como gerente de programa en 2021. DARPA busca idear iniciativas de investigación que estén al límite de lo factible, y Pava pronto pensó que tenía una buena idea, aunque un tanto dudosa. Había estado siguiendo los avances en optogenética, donde los científicos usan la luz para manipular el comportamiento de las neuronas u otras células, y en biología sintética, donde los científicos pueden, en esencia, diseñar organismos. Y un día pensó: “¿Y si pudiéramos combinar ambas?”.

¿Su idea? Permitir a los bioingenieros identificar fácilmente una secuencia genética que cumpla con su propósito —por ejemplo, fabricar proteínas o péptidos a medida— para que puedan codificar esa secuencia en un patrón de luz, proyectarla sobre una célula modificada genéticamente y que una herramienta dentro de la célula sintetice la nueva cadena de ARN o ADN según las instrucciones codificadas. Y, como resultado de las instrucciones contenidas en ese nuevo material genético, la célula, en última instancia, obedecerá las órdenes del ingeniero.

Como saben, el ADN y el ARN son esencialmente guiones celulares que les indican a las células qué hacer y cómo comportarse. Normalmente, estos guiones están determinados por la evolución. Pero con el advenimiento de la biología sintética, es posible generar secuencias genéticas y programar células. Sin embargo, usar luz, en lugar de las herramientas de laboratorio habituales, podría llevar esa programación al siguiente nivel. Y eso es precisamente lo que DARPA pretende lograr con su programa de «optogenética generativa» o GO.

Si esta iniciativa, que durará varios años, tiene éxito, los científicos podrán iluminar una célula con instrucciones codificadas mediante luz. Esta luz, a su vez, indicará a un mecanismo celular que ensamble secuencias genéticas específicas. A partir de ahí, las posibilidades son infinitas. Según la descripción del programa proporcionada por DARPA, esta tecnología «podría desbloquear capacidades sin precedentes para mejorar de forma personalizada la salud y el rendimiento de los militares, así como para la agricultura, la biofabricación y la exploración espacial».

Pero siempre que se manipula el ADN y el ARN, existe la posibilidad de que se produzcan efectos adversos. Según los propios documentos de DARPA, «los riesgos incluyen tanto el uso indebido deliberado, como la síntesis de agentes peligrosos, como las consecuencias no deseadas, como la producción de subproductos dañinos o la adaptación evolutiva de sistemas diseñados para superar las medidas de contención».

Por muy divertido que parezca, ¿es siquiera posible?

Una impresora 3D para código genético

Los científicos llevan décadas experimentando con material genético, y la primera célula controlada completamente por ADN artificial apareció hace más de 15 años. El ADN y el ARN sintéticos no son exclusivos del programa GO de DARPA, y ya existen en laboratorios y empresas de todo el mundo. Según Pava, son «básicamente fundamentales para casi toda la biotecnología».

El ARN, por ejemplo, está presente en algunas vacunas, y las empresas utilizan organismos modificados genéticamente para producir biocombustibles. «Podemos usar el ARN y el ADN porque, en esencia, son el lenguaje genético, en una molécula química, que instruye a las células para que realicen funciones nuevas y útiles», afirma Pava.

Pero actualmente, esa utilidad es limitada. Los científicos tienen que diseñar una secuencia genética en una computadora y luego fabricarla químicamente. Eso, según Pava, “suele implicar procesos químicos bastante complejos que no se pueden realizar en cualquier lugar”. Después , los científicos tienen que introducir físicamente el ADN o el ARN en las células. La idea detrás de GO es evitar esos pasos físicos y químicos.

¿Cómo? Pava no sabe exactamente qué idearán los equipos de DARPA, que actualmente pertenecen a Flagship Labs 116; la Universidad de California, Santa Bárbara; Conveyor Belt Industries; la Universidad de Washington; la Universidad de Princeton; y la Universidad de Columbia.

Pero algunos principios básicos serán válidos para todos. GO requiere células prediseñadas para responder a la luz. Por lo tanto, estas células llevarán incorporado lo que DARPA ha denominado un «compilador de ácido nucleico» (NAC). Se trata, esencialmente, de una impresora 3D de material genético, insertada en una célula. Si una célula dispone de dicha impresora, se le pueden enviar «archivos» —en este caso, patrones de luz que corresponden a diferentes bases genéticas—. La impresora, a su vez, genera una secuencia genética a partir de esas bases.

La clave para GO, sin embargo, reside en crear esa impresora —la NAC— en primer lugar. Nadie ha creado jamás una NAC, y no está claro si alguien puede hacerlo. «Si es posible, no sé si lo es ahora », dice Pava.

Si las células pudieran contener sus propias impresoras 3D de ADN y, por lo tanto, ser reprogramadas de forma remota, campos como la biofabricación —que utiliza células modificadas genéticamente para producir compuestos químicos específicos— podrían volverse más eficientes. Lo mismo podría aplicarse a la agricultura, facilitando el cultivo de plantas que, por ejemplo, sean resistentes a los estragos del cambio climático.

Y, al parecer, podría ser útil más allá de la Tierra, en el espacio. DARPA no ha dado más detalles sobre esta aplicación, pero un artículo en la revista npj Microgravity de Nature sugiere que los microbios seleccionados podrían fabricar sustancias químicas necesarias para medicamentos y combustible que los astronautas no tendrían que llevar consigo; formar parte de un sistema de soporte vital; y ayudar a los viajeros espaciales a mantener su microbioma normal.

Pava afirma que GO también impulsaría la investigación biológica básica, permitiendo a los científicos programar rápidamente el ADN de las células de forma diferente y observar los cambios, para así comprender mejor la función de las secuencias genéticas. « Esa sería probablemente la aplicación número uno», dice, «que consiste simplemente en generar un impulso significativo para el descubrimiento biológico».

¿Qué podría salir mal?

Quizás lo más sorprendente sea la propia declaración de DARPA de que los resultados de GO, a largo plazo, podrían ser útiles para el rendimiento de los combatientes, sugiriendo que tal vez la luz podría algún día ayudar a los soldados a ser mejores, más rápidos, más fuertes, más letales o menos somnolientos. Pero Pava afirma que un mejor ejemplo es proteger a los combatientes de patógenos y toxinas desconocidos, proporcionándoles una especie de antídoto tan pronto como se diseñe y valide una contramedida, sin necesidad de aumentar la producción farmacéutica. Otras ramas de las fuerzas armadas, como el Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea , ya están investigando cómo la biología sintética puede optimizar a los combatientes.

Pero intentar programar humanos con luz GO sería como intentar imprimir un archivo en un piano. El piano no haría nada. Las células humanas normales, sin NAC, no responden a la luz en absoluto. Y las células que sí tienen NAC, si estuvieran dentro del cuerpo humano, no alterarían el código genético de nadie. Las células modificadas genéticamente actuarían como fábricas aisladas, utilizando la luz para producir ADN o ARN específicos para realizar una tarea concreta, como producir una enzima cicatrizante.

Para que esto afectara a los humanos, los científicos tendrían que introducir células cargadas de NAC en el cuerpo, lograr que sobrevivieran de forma significativa y que la luz las alcanzara para programarlas. «Eso significa que debe ser algo sumamente intencional, y que es poco probable que se pueda aumentar la amenaza utilizando un NAC para programar genéticamente a mucha gente», afirma Pava.

Pava señala que hay que tener en cuenta que se trata de un programa de investigación básica, con aplicaciones a corto plazo en el laboratorio para la investigación biológica básica. «Esa es la aplicación inmediata más obvia, ya que evita por completo, si no todas, las preocupaciones regulatorias y de seguridad», afirma. El principal interés de DARPA en materia de seguridad nacional, explica, reside en estar a la vanguardia de las industrias biotecnológicas de otros países.

Pero eso no tiene por qué ser cierto en el futuro, y no se puede ignorar el potencial de mal uso si la tecnología cae en las manos equivocadas, o si las manos «correctas» resultan no comportarse de forma muy ética.

DARPA es consciente de ello. Y esa es una de las razones por las que está contratando grupos de trabajo independientes para analizar los problemas regulatorios y los riesgos de seguridad que plantea GO. También están planeando talleres para reunir a los equipos que trabajan en el programa, investigadores independientes y los grupos de trabajo, con el fin de debatir tanto los avances como los obstáculos. Y probablemente para felicitarse mutuamente por formar parte de la trama de un excelente thriller de ciencia ficción.

https://www.popularmechanics.com/military/research/a73496077/reprogramming-living-cells/