Circuitos de genes ‘decidirán’ el tratamiento justo desde el interior del cuerpo

Las células vivas son capaces de realizar cálculos complejos con las señales ambientales que se encuentran.

Estos cálculos pueden ser continuas o analógicas: la forma en que los ojos se adaptan a los cambios graduales en los niveles de luz. También pueden ser digitales, que implican procesos sencillos tipo on/off, tales como la iniciación de una célula de su propia muerte.

Los sistemas biológicos sintéticos, por el contrario, han tendido a concentrarse en los procesos analógicos o en los digitales, lo que limita la gama de aplicaciones para las que se pueden utilizar.

Pero ahora un equipo de investigadores del MIT (Massachusetts Institute of Technology, Boston, EE.UU.) ha desarrollado una técnica para integrar tanto la computación digital como la analógica en las células vivas, lo que les permite formar circuitos de genes capaces de llevar a cabo operaciones de procesamiento complejas.

Los circuitos sintéticos, que se presentan en un artículo publicado en la revista Nature Communications, son capaces de medir el nivel de una entrada analógica, como un producto químico determinado correspondiente a una enfermedad, y decidir si el nivel está en el rango correcto para producir un resultado o salida digital, como un medicamento que trate la enfermedad.

"La mayor parte del trabajo en biología sintética se ha centrado en el enfoque digital, debido a que los sistemas digitales son ​​mucho más fáciles de programar", explica Timothy Lu, profesor de ingeniería eléctrica, ingeniería informática e ingeniería biológica, en MIT News.

Sin embargo, puesto que los sistemas digitales se basan en una simple salida binaria como 0 o 1, la realización de operaciones de cálculo complejas requiere usar un gran número de piezas, lo cual es difícil de conseguir en los sistemas biológicos sintéticos.

"Lo digital es básicamente una forma de computación en la que se obtiene inteligencia a partir de piezas muy simples, ya que cada parte hace una cosa muy simple, pero cuando se ponen todas juntos se obtiene algo que es muy inteligente", explica Lu. "Pero eso requiere poner muchas de estas piezas juntas, y el reto de la biología, al menos en la actualidad, es que no se pueden montar miles de millones de transistores como se hace en una pieza de silicio".

El dispositivo de señal mixta desarrollado por los investigadores se basa en varios elementos. Un módulo umbral consiste en un sensor que detecta los niveles analógicos de un producto químico particular. Este módulo umbral controla la expresión del segundo componente, un gen de recombinasa, que puede encender o apagar un segmento de ADN invirtiéndolo, y convirtiéndolo de ese modo en una salida digital.

Si la concentración de la sustancia química alcanza un cierto nivel, el módulo umbral expresa el gen de la recombinasa, haciendo que dé la vuelta al segmento de ADN. Este segmento de ADN contiene un gen o un elemento regulador de genes que altera la expresión de la salida deseada.

Circuito

El equipo ya ha construido un circuito conversor de analógico a digital que implementa lógica ternaria, un dispositivo que sólo se enciende en respuesta a una concentración de una entrada o bien alta o bien baja, y que es capaz de producir dos salidas diferentes.

En el futuro, el circuito podría ser utilizado para detectar los niveles de glucosa en la sangre y responder de una de tres maneras distintas dependiendo de la concentración, dice Lu. "Si el nivel de glucosa es demasiado alto puede desear que sus células produzcan insulina, si la glucosa es demasiado baja puede que desee que hagan glucagón (hormona peptídica que actúa en el metabolismo del glucógeno), y si está en el medio, que no hagan nada".

Otras aplicaciones

Estos circuitos también podrían usarse para detectar una variedad de productos químicos, simplemente cambiando el sensor, añade Lu.

Ahora están investigando la idea de usar estos conversores para detectar niveles de inflamación en el intestino causados por la enfermedad inflamatoria del intestino, por ejemplo, y la liberación de diferentes cantidades de fármacos en respuesta.

Las células inmunes utilizadas en el tratamiento del cáncer también podrían diseñarse para detectar diferentes entradas ambientales, tales como los niveles de oxígeno o de lisis tumoral, y variar su actividad terapéutica en respuesta.

Otros grupos de investigación también están interesados ​​en el uso de los dispositivos para aplicaciones ambientales, tales como células de ingeniería que permitan detectar concentraciones de contaminantes en el agua.

Referencia bibliográfica:

Jacob R. Rubens, Gianluca Selvaggio, Timothy K. Lu: Synthetic mixed-signal computation in living cells. Nature Communications (2016). DOI: 10.1038/ncomms11658.