Cómo transformar células vivas en ordenadores

Sistemas genéticos realizan operaciones lógicas almacenando datos en el ADN.

Expertos en biología sintética han creado módulos de ADN que realizan operaciones lógicas en células vivas. Estos “circuitos genéticos” podrían utilizarse para registrar momentos clave en la vida de una célula o, activando un interruptor químico, modificar el destino de una célula, anuncian los investigadores. Los resultados se publican esta semana en Nature Biotechnology.

La biología sintética trata de incorporar principios de la ingeniería electrónica en una célula biológica, considerando las funciones de los genes como componentes de un circuito. Con este objetivo, investigadores del Massachusetts Institute of Technology (MIT) en Cambridge, han diseñado un sencillo grupo de módulos genéticos que responden a señales de una forma muy parecida a como la hacen los operadores lógicos booleanos usados en los ordenadores.

 

 ADN por Erin Campbell

  

“Estos desarrollos permitirán un avance más rápido en la obtención de células programables con capacidad de tomar decisiones que pueden tener una gran variedad de aplicaciones”, afirma James Collins, biólogo sintético de la Universidad de Boston en Massachusetts, no participante del estudio.

Collins desarrolló el interruptor genético que ayudó a que el campo de la biología sintética apareciese súbitamente hace ya más de una década. Desde entonces, se ha desarrollado una amplia gama de circuitos programables para células, incluyendo un sencillo contador que Collins y su equipo diseñaron en 2009.

Pero “para transformarla en una disciplina sólida de la ingeniería, necesitamos marcos de actuación que permitan programar células en modelos más escalables”, afirma Timothy Lu, biólogo sintético del MIT que ha dirigido este último estudio. “Queríamos demostraros que podemos juntar un montón de elementos básicos en un modelo muy sencillo que ofrezca muchas funciones lógicas posibles”

Lógica circular

Los módulos lógicos de Lu están basados en plásmidos, cadenas circulares de ADN que se introducen en células de Escherichia coli. Él junto con sus colaboradores diseñaron 16 plásmidos (una para cada función lógica binaria que admite la programación). Cada variedad consta de unas secuencias promotora y terminadora de ADN, que inicia o interrumpe la transcripción genética, y un gen de respuesta que codifica una proteína verde fluorescente.

La clave del sistema está en la utilización de enzimas recombinasas, que cortan y reorganizan las secuencias de ADN promotora y terminadora activándolas o desactivándolas. En otras palabras, las enzimas recombinasas constituyen la señal que determina si el gen de respuesta se transcribe.

Una puerta electrónica “AND”, por ejemplo, lanza una señal positiva solo si la corriente se recibe en las dos entradas que posee. En el modelo genético, el gen de respuesta se transcribe sólo cuando las secuencias terminadoras del gen y la secuencia promotora son neutralizadas por dos señales, a base de enzimas recombinasas.

Lu afirma que, a pesar de que las recombinasas se habían usado de forma similar en el pasado (para escribir información en una memoria de ADN, por ejemplo), este último trabajo lleva la idea un paso más allá, haciendo que el propio ADN forme parte de la programación. “Si el ADN que modificas es un elemento regulador, como una secuencia promotora o terminadora, esto te permite poder controlar algo en la célula. Y es este control el que te facilita la lógica”

Christopher Voigt, biólogo sintético también del MIT, llama a estos módulos artificiales “una forma muy digital y permanente de almacenar información en el ADN. La lógica puede almacenar gran cantidad de experiencias (por ejemplo, si las células han pasado por dos ambientes diferentes y en qué orden)”

Voigt afirma que hay otra ventaja con este sistema. “(El cambio) es permanente. Después de que la célula muera, la información puede ser recuperada a partir del ADN”. En realidad, los investigadores encontraron que los plásmidos modificados se heredan a través de por lo menos 90 generaciones celulares (lo que podría ser importante para los biólogos que quieran registrar los momentos clave de los ancestros de una célula)

Lu afirma que este mismo principio podría ser de utilidad en biotecnología. Utilizando formas básicas de estos interruptores personalizables, los fabricantes podrían disponer de cultivos celulares en los que los genes clave se encuentran suprimidos hasta activarse por una señal de un determinado compuesto, asegurando así la producción de un fármaco, por ejemplo, cuando el sistema está a punto. Otros interruptores podrían detener la producción, una vez se ha alcanzado un umbral determinado, comenta Lu.

Fuente: Ciencia Kanija