Creando ordenadores con células vivas

[wolfbcn]

Si los biólogos pudieran introducir controles computacionales dentro de células vivas, podrían programarlas para que detectaran e informaran sobre la presencia de cáncer, crear medicamentos in situ según fueran necesarios, o ajustar su actividad de forma dinámica en tanques de fermentación usados para producir medicamentos y otros productos químicos. Ahora, investigadores de la Universidad de Stanford (Estados Unidos) han desarrollado una forma de crear partes genéticas capaces de llevar a cabo los cálculos lógicos que podrían controlar dichas actividades en el futuro.

La puerta lógica genética de los investigadores de Stanford se puede usar para llevar a cabo todas las tareas digitales lógicas y también para almacenar información. Funciona haciendo cambios en el genoma de la célula, creando una especie de transcripción de las actividades de la célula que luego se pueden leer con un secuenciador de ADN. Los investigadores denominan a su invento un "transcriptor", por su parecido con el transistor en electrónica. "Queremos hacer herramientas para colocar ordenadores dentro de cualquier célula viva, un poco de almacenaje de datos, una forma de comunicarse y lógica", sostiene Drew Endy, el profesor de bioingeniería de Stanford que ha dirigido el trabajo.

Timothy Lu, director del Grupo de Biología Sintética en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT, en Estados Unidos), está trabajando en herramientas parecidas de lógica celular. "No se puede introducir un chip de silicio dentro de células dentro del cuerpo, así que hay que construir circuitos de ADN y proteínas", explica Lu. "El objetivo no es sustituir a los ordenadores, sino abrir aplicaciones biológicas a las que la computación convencional simplemente no puede hacer frente", asegura.

Los biólogos pueden dar a las células nuevas funciones a través de la ingeniería genética tradicional, pero Endy, Lu y otros que trabajan en el campo de la biología sintética quieren crear partes modulares que se puedan combinar para construir sistemas complejos partiendo de cero. Endy espera que las puertas lógicas celulares sean una herramienta clave para posibilitar este tipo de ingeniería.

Las células programadas con una puerta biológica "AND" podrían, por ejemplo, usarse para detectar y tratar el cáncer, según afirma Endy. Si la proteína A y la proteína B están presentes -siendo esas proteínas características del cáncer de mama, por ejemplo- esto podría incitar a la célula a producir la proteína C, un medicamento.

En el ejemplo del cáncer, explica Endy, querrías que la célula respondiera ante niveles bajos de marcadores de cáncer (la señal) produciendo una gran cantidad del medicamento. Es el mismo caso para las células biológicas diseñadas para detectar contaminantes en el suministro de agua. Idealmente generarían una señal muy grande (por ejemplo grandes cantidades de proteínas fluorescentes) al detectar una pequeña cantidad de contaminante.

El transcriptor dispara la producción de encimas que producen alteraciones en el genoma de la célula. Cuando la producción de las encimas se dispara por la presencia de una señal -una proteína, por ejemplo- estas encimas borran o invierten un tramo concreto de ADN en el genoma. Los investigadores pueden codificar el transcriptor para responder a una o varias de estas señales. La señal se puede amplificar porque un cambio en el ADN de la célula puede conducir a la célula a producir una gran cantidad de la proteína resultante a lo largo del tiempo.

Dependiendo de cómo se diseñe el transcriptor, puede actuar como una puerta lógica distinta -una puerta "AND" que solo se abre en presencia de dos proteínas, una puerta "OR" que se enciende por una señal u otra, y así. Endy afirma que estas puertas se podrían combinar para formar circuitos más complejos haciendo que el resultado de una fuera el input de la siguiente. Este trabajo se ha descrito en la revista Science.

Lu, del MIT, admite que los circuitos celulares como el suyo y el de Endy, que usan encimas para alterar el ADN son lentos. De input a resultado, la célula puede tardar varias horas en responder y cambiar su actividad. Otros investigadores han hecho sistemas lógicos celulares más rápidos que usan otros tipos de biomoléculas, proteínas reguladoras o ARN, por ejemplo. Pero Lu afirma que a estos sistemas más rápidos les falta la amplificación de señal y la memoria. Es probable que los circuitos celulares del futuro sean una combinación de distintos tipos de puertas, sostiene Lu.

Christopher Voigt, ingeniero biológico en el MIT afirma que el próximo paso es combinar las puertas lógicas genéticas para crear circuitos integrados capaces de funciones más complejas. "Queremos crear células que hagan auténtica computación", afirma.

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