BIOSYNTH – «Plataforma micro modular para futuros almacenamientos masivos de datos a partir de biología sintética»

Ejemplos de aplicaciones para la biología sintética. © Fraunhofer IPMS / Application examples for synthetic biology. © Fraunhofer IPMS

DNA, RNA y PEPTIDE como medio de almacenamiento del futuro – Proyecto BIOSYNTH. © Fraunhofer IPMS / DNA, RNA y PEPTIDE como medio de almacenamiento del futuro – Proyecto BIOSYNTH. © Fraunhofer IPMS

El proyecto BIOSYNTH es financiado por la Sociedad Fraunhofer y tiene como objetivo desarrollar una nueva plataforma de microchips que permita una biosíntesis sin células, eficiente y controlada digitalmente. El Instituto Fraunhofer para Sistemas Microópticos IPMS lidera el consorcio y trabaja junto con el Instituto de Toxicológica y Medicina Experimental ITEM y el Instituto de Terapia Celular e Inmunología, parte de Bioanálisis y Bioprocesos IZI-BB, en tecnologías que, entre otras cosas, podrán ser utilizadas en futuros almacenamientos masivos de datos con una densidad de almacenamiento muy alta o en la detección de contaminantes en la toxicológica humana.

¿Qué es la biología sintética?

La biología sintética es un campo de investigación que busca diseñar, replicar o modificar sistemas biológicos en el laboratorio. Esto se realiza mediante el desarrollo de componentes estandarizados que se pueden ensamblar con precisión en nuevas unidades.

La ADN sintética puede usarse para almacenar y comprimir datos binarios, siendo la escritura de ADN en microchips un gran desafío, pero también una oportunidad significativa. La información puede almacenarse en microchips con alta densidad, organizando pares de bases de manera específica y digitalmente controlable en tres dimensiones.

Además, el consorcio investiga otras aplicaciones de la biología sintética, como la detección de patógenos en aguas residuales, incluyendo enfoques sensoriales. En particular, estos temas serán discutidos en un taller para usuarios en el marco de la cumbre SynBioReactor de la Sociedad Alemana de Biología Sintética el 21 de agosto en Berlín-Adlershof.

¿Qué contribuye BIOSYNTH a la mejora de procesos?

El proyecto BIOSYNTH busca mejorar el rendimiento actual de la síntesis microbiológica agrupando el conocimiento de tres institutos Fraunhofer. A través de tecnología moderna de microsistemas, se investiga una plataforma universal de microchips que puede usarse para escribir ADN, ARN y péptidos. Los métodos de síntesis actuales, por ejemplo mediante el llamado "spotting", son ineficientes, especialmente para la producción de segmentos largos de ADN, y tienden a errores cuya corrección es costosa y lleva mucho tiempo. Además, la tecnología de los dispositivos existentes es grande y costosa.

"Por ello, el proyecto BIOSYNTH busca investigar los fundamentos microsistemáticos y biológicos para la síntesis microbiológica de alto rendimiento en microchips altamente integrados con componentes térmicos, fotónicos y fluidicos, que aborden tanto almacenamientos masivos de datos biológicos con densidad extremadamente alta y resistencia al envejecimiento, como aplicaciones en biología, bioquímica o ecología aplicada," explica el Dr. Uwe Vogel, líder del consorcio del Fraunhofer IPMS.

Los investigadores desarrollan una plataforma basada en técnicas tradicionales de fabricación de microchips para escribir secuencias de nucleótidos (ADN, ARN o péptidos) definidas por software. Esta plataforma permite, por ejemplo, implementar almacenamientos masivos biológicos para procedimientos de alta paralelización y alto rendimiento, similar a los procesos de producción en volumen de la industria de microelectrónica. La plataforma, diseñada y fabricada con métodos de microelectrónica, integra células de reacción miniaturizadas a nivel micrométrico, con volúmenes de reacción en el rango de picolitros, para la síntesis sin células en un matriz activa programable. Mediante componentes térmicos y fotónicos especiales, así como la funcionalización de las superficies de cada célula de reacción, se posibilita el transporte, la inmovilización, la activación y el monitoreo de las condiciones y resultados del proceso.

El IPMS de Fraunhofer desarrolla el circuito integrado de la placa base CMOS, que controla y lee los microcalentadores para la biosíntesis. Este circuito también se usa para los píxeles OLED y detectores de fotones en la matriz activa, así como para una configuración de prueba correspondiente. Además, el instituto es responsable del desarrollo de la capa "Térmico" de la plataforma de microchips, que regula la temperatura para la síntesis biológica mediante estructuras superficiales micromecánicas, similares a la tecnología de transductores ultrasónicos micromecánicos capacitivos (CMUT). El instituto también aporta su experiencia en simulación de la funcionalidad térmica. Otra tarea del proyecto es implementar una tecnología MEMS que permita integrar componentes orgánicos como diodos emisores de luz y fotodiodos para monitorear el proceso de síntesis. Posteriormente, investigadores del Fraunhofer IZI-BB en Potsdam realizarán la síntesis usando la plataforma de microchips.

¿Qué aplicaciones existen?

Además del almacenamiento masivo de datos, hay otras aplicaciones para la biología sintética (ver también la Figura 1). Por ejemplo, el ITEM de Fraunhofer trabaja en procedimientos de codificación en componentes biológicos. Esto incluye códigos correctores de errores y procedimientos de compresión. Así, también se pueden codificar imágenes con baja heterogeneidad de píxeles en ADN, mediante la ruptura de bases repetidas con una máscara aleatoria y almacenando los datos en plásmidos. Se investiga experimentalmente el almacenamiento de imágenes en ADN y la posibilidad de recuperación sin errores, y se ha desarrollado un esquema de codificación que permite compresión y evita desplazamientos de imagen causados por errores.

El Prof. Christoph Schäfers, director del Instituto Fraunhofer de Biología Molecular y Ecología Aplicada IME, explica otra área de aplicación de la biología sintética: "El cribado de la toxicología humana mediante biología sintética utiliza sistemas biológicos fabricados artificialmente para probar los efectos de sustancias en el cuerpo humano. Este método permite detectar y analizar efectos potencialmente dañinos de manera temprana."

¿Cómo se llevan los resultados del proyecto a la práctica?

El proyecto cuenta con el apoyo de un grupo de asesores destacados de la economía, la ciencia y la práctica, incluyendo expertos de la Universidad de Marburgo, XFAB, Infineon, el Archivo Federal y Hybrotec. Los resultados preliminares del proyecto se presentarán en un taller para usuarios durante la cumbre SynBioReactor en Berlín el 21 de agosto de 2024. El Prof. Schäfers también participará en el taller sobre cribado de toxicología humana para debates. Además, los asistentes podrán aportar y discutir ideas de aplicaciones en diferentes áreas en las "islas temáticas".