Cómo hacer una computadora con una célula viva

Compuertas lógicas genéticas permitirán a los biólogos programar células para producir químicos y detección de enfermedades

Si los biólogos pueden poner controles computacionales dentro de las células vivas, se les podría programar que detecten y reporten la presencia de cáncer, crear medicamentos en el lugar en que se necesiten, o ajustar dinámicamente sus actividades en los tanques de fermentación utilizados para fabricar medicamentos y otras sustancias químicas. Ahora, investigadores de la Universidad de Stanford han desarrollado un método para fabricar piezas genéticas que pueden realizar los cálculos lógicos que algún día podrían controlar estas actividades.

La compuerta lógica genética de los investigadores de Stanford se puede utilizar para realizar una implementación completa de tareas lógicas digitales, y puede almacenar información, también. Funciona realizando cambios en el genoma de la célula, creando un tipo de transcripción de las actividades de la célula que se puede leer luego con un secuenciador de ADN. Los investigadores llaman «transcriptor» a su invención, por su parecido con el transistor en la electrónica. «Queremos asegurarnos de herramientas para poner computadoras en el interior de una célula viva, un poquito de almacenamiento de datos, una forma de comunicarse, y lógica», dice Drew Endy, profesor de bioingeniería en Stanford que dirigió el estudio.

Timothy Lu, que lidera el Grupo de Biología Sintética del MIT, está trabajando en herramientas lógicas celulares similares. «No se puede poner un chip de silicio en células dentro del cuerpo, así que tienes que construir circuitos con ADN y proteínas», dice Lu. «El objetivo no es sustituir a los ordenadores, sino abrir aplicaciones biológicas que la computación convencional simplemente no puede hacer frente.»

Los biólogos pueden darle nuevas funciones a las células por medio de la ingeniería genética tradicional, pero Endy, Lu, y otros que trabajan en el campo de la biología sintética quieren hacer piezas modulares que se puedan combinar para crear sistemas complejos a partir de cero. Las puertas lógicas celulares, espera Endy, será una herramienta clave para este tipo de ingeniería.

Las células genéticamente programados con una compuerta «Y» biológica podrían utilizarse, por ejemplo, para detectar y tratar el cáncer, dice Endy. Si la proteína A y la proteína B están presentes —donde esas proteínas son propias de, digamos, el cáncer de mama, entonces esto podría provocar que la célula produzca la proteína C, un fármaco.

En el ejemplo el cáncer, dice Endy, usted querría que la célula responda a bajos niveles de marcadores de cáncer (la señal) mediante la producción de una gran cantidad de medicamento. El caso es el mismo para las células biológicas diseñadas para detectar contaminantes en el suministro de agua. Idealmente, habría que generar una señal muy grande (por ejemplo, cantidades de proteínas fluorescentes brillantes) cuando se detecta una pequeña cantidad de un contaminante.

El transcriptor desencadena la producción de enzimas que causan alteraciones en el genoma de la célula. Cuando se dispara la producción de esas enzimas por la señal —una proteína de interés, por ejemplo— estas enzimas eliminan o invierten un determinado tramo de ADN en el genoma. Los investigadores pueden codificar el transcriptor para responder a una o múltiples señales diferentes de este tipo. La señal puede ser amplificada por un cambio en el ADN de la célula que lleva a la célula a producir rápido una gran cantidad de la proteína necesaria.

Dependiendo de cómo se diseñe el transcriptor, puede actuar como un tipo diferente de compuerta lógica —una compuerta «Y» se enciende únicamente en la presencia de dos proteínas, una compuerta «O» será activada por una señal u otra, y así sucesivamente. Endy dice que estas puertas se podrían combinar en circuitos más complejos, siendo la salida de una la entrada de la siguiente. Este trabajo se describe hoy en la revista Science.

Lu, del MIT, dice que los circuitos celulares como el suyo y el de Endy, que utilizan enzimas para alterar el ADN, son reconocidamente lentos. Desde la entrada a la salida pueden tardar un par de horas para que una célula responda y cambie su actividad. Otros investigadores han hecho sistemas lógicos celulares más rápidos, que utilizan otros tipos de biomoléculas reguladoras proteínas, o ARN, por ejemplo. Pero Lu dice que esos sistemas más rápidos carecen de amplificación de la señal y memoria. Es probable que los futuros circuitos celulares utilicen una combinación de diferentes tipos de compuertas, dice Lu.

Christopher Voigt , un ingeniero biológico en el MIT, dice que el paso siguiente es combinar compuertas lógicas genéticas para fabricar circuitos integrados capaces de desempeñar funciones más complejas. «Queremos hacer células que pueden hacer computación real», dijo.

Fuente: Technology Review. Aportado por Eduardo J. Carletti

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