Células que actúan como circuitos, nuevo paso hacia los ordenadores celulares

Un equipo de investigadores de la organización estadounidense John Hopkins Medicine ha diseñado células que se comportan como dos tipos de puertas lógicas (AND y OR –Y, O-), que son dispositivos con los que se trabaja en la electrónica digital para introducir y producir señales en los circuitos.

Las puertas lógicas celulares creadas fueron capaces de generar salidas, a partir de una o varias entradas únicas.

Según publica la John Hopkins Medicine en un comunicado, este logro podría ayudar al desarrollo futuro de ordenadores constituidos por pequeños circuitos de células.

El director del estudio, el profesor del departamento de biología celular de dicha Universidad, Takanari Inoue, explica que, en la actualidad, muchos investigadores están intentando desarrollar dispositivos cotidianos a partir de materiales biológicos, como biomoléculas o células, mediante la introducción en ellos de nuevas características.

Y algunos de estos especialistas, dedicados a un campo relativamente nuevo bautizado como “biología sintética”, están intentando crear ordenadores biológicos.

En general, la biología sintética consiste en la síntesis de biomoléculas o ingeniería de sistemas biológicos con funciones nuevas que no se encuentran en la naturaleza. Se trata de una disciplina que, a diferencia de otras, no se basa en el estudio de la biología de los seres vivos, sino que posee como objetivo el diseño de sistemas biológicos que no existen en la naturaleza.

Se busca una computación celular veloz

En la base tanto de los ordenadores corrientes como de los ordenadores biológicos se encuentran las puertas lógicas, con las que se fabrican circuitos cuyo fundamento teórico es la llamada álgebra de Boole. Estas puertas producen respuestas que varían en función del tipo y la cantidad de señales que reciben.

Por ejemplo, las puertas lógicas AND (Y) necesitan dos entradas únicas para generar una salida. Las puertas OR (O), por su parte, generan una salida en función de si reciben una entrada, otra o ambas.

Inoue afirma que investigaciones previas habían conseguido generar puertas lógica basadas en biomoléculas, en tubos de ensayo o platos de Petri.

Sin embargo, añade, el desarrollo de puertas lógicas usando células completas había demostrado ser mucho más difícil.

Esfuerzos anteriores habían aprovechado el sistema de transcripción celular (que consiste en la transferencia de la información contenida en la secuencia del ADN para generar proteínas), para crear una señal de salida. Pero la transcripción celular puede ser lenta, y la respuesta deseada tardar desde minutos a días.

“La gente quiere tener una computación veloz. Esperamos conseguir una computación en células del orden de segundos, lo que sería significativamente más rápido de lo que se ha conseguido hasta ahora”, afirma Inoue.

Sistemas sin competencia

Para alcanzar su objetivo, los científicos usaron una técnica conocida como “dimerización químicamente inducible” o CID. Esta técnica aprovecha los mecanismos biológicos en virtud de los cuales dos proteínas son reunidos en un compuesto, en presencia de una sustancia química.

Dado que las puertas AND y OR generan una respuesta a partir de dos entradas distintas, tanto unidas como por separado, los investigadores necesitaban dos sistemas CID diferentes que no compitieran ni se solaparan uno con otro.

Para conseguirlo, partieron de un sistema estudiado durante años que reúne dos proteínas –FRB y FKBP- en presencia de un medicamento llamado rapamicina. La rapamicina procede de bacterias, y la FRB y la FKBP de animales.

Además, Inoue y su equipo usaron un segundo sistema CID que reúne otras dos proteínas, la GID1 y la GAI, en presencia de una hormona vegetal o fitohormona conocida como giberelina.

Dado que la giberelina es de origen vegetal, el sistema CID basado en ella no compite con el basado en la rapamicina, explican los científicos.

Logrado este punto, Inoue y sus colaboradores diseñaron células de mamíferos capaces de producir las proteínas necesarias, así como una respuesta cuando dos proteínas precisas se reunían. De este modo, al conectarse la FRB y la FKBP o la GID1 y la GAI, las membranas de las células desarrollaron unos volantes que pudieron observarse con el microscopio, y también las señales esperadas.

Respuestas de las puertas lógicas celulares

Para crear la puerta lógica OR, la FRB y la GAI se enlazaron a la membrana celular, mientras que la FKBP y la GID1 permanecían libres flotando en la célula. Añadiendo rapamicina, giberelina o ambas a las células, los científicos consiguieron que las proteínas que flotaban libremente se unieran a las de la membrana celular, provocando una señal de salida.

Para desarrollar la puerta lógica AND, los investigadores colocaron sólo la proteína GAI en la membrana celular, y dejaron flotando libremente la FRB y compuestos de FKBP y GID1 por la célula. Este sistema requirió que las cuatro proteínas antes mencionadas se enlazaran para producir los rizos en la membrana, para lo cual fueron necesarias también las señales de entrada de las dos sustancias químicas empleadas.

En pruebas realizadas con ambos sistemas se demostró que ambos tipos de puertas lógicas celulares producían la respuesta deseada, en cuestión de segundos.

Según Inoue, estos resultados sugieren que, con el tiempo, podrían usarse puertas lógicas similares para desarrollar circuitos mayores y más complejos, que podrían convertirse en la base de futuros ordenadores que utilicen las células como unidades básicas.

Los resultados de la presente investigación han aparecido detallados por Inoue y sus colaboradores, Takafumi Miyamoto, Robert DeRose, Allison Suarez, Tasuku Ueno y Melinda Chen en la revista Nature Chemical Biology.