Tendencias Científicas
Ingenieros del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), en Estados Unidos, han creado circuitos genéticos en células bacterianas que, además de llevar a cabo funciones lógicas, son capaces de recordar sus resultados, porque estos quedan codificados en el ADN celular transmitiéndose a través de docenas de generaciones.
Estos circuitos, descritos recientemente en la revista Nature Biotechnology, podrían ser utilizados como sensores ambientales de larga duración, eficientes controles para la biofabricación o en la programación de células madre para que estas se diferencien en diversos tipos celulares, informa el MIT en un comunicado.
"Casi todo los trabajos en biología sintética anteriores se han centrado bien en las funciones lógicas de los componentes bien en módulos codificadores de memoria. Creemos que la computación compleja ha de implicar una combinación de lógica y memoria, y por eso hemos desarrollado esta estructura concreta ", explica Timothy Lu, profesor de ingeniería eléctrica, ciencias de la computación e ingeniería biológica del MIT y autor principal del artículo de Nature Biotechnology.
En biología sintética, se utilizan segmentos genéticos intercambiables para diseñar circuitos con funciones específicas, como detectar una sustancia química en un entorno. Por ejemplo, una sustancia química específica generaría una respuesta también específica en este tipo de circuitos, como la producción de una proteína verde fluorescente o GFP (que indicaría a los investigadores la presencia de dicha sustancia).
Pero estos circuitos también pueden ser diseñados –además de para tener ‘memoria’, en este caso, de una sustancia química dada- para que funcionen como puertas lógicas o AND.
Las AND son dispositivos electrónicos que suman, multiplican, niegan o afirman, incluyen o excluyen, según sus propiedades lógicas. Estos dispositivos, que se integran en chips, se pueden aplicar a tecnología electrónica, eléctrica, mecánica, hidráulica y neumática.
Sin embargo, en la mayoría de los circuitos lógicos celulares, la respuesta de los circuitos o su función se produce solo cuando está presente un estímulo. Por el contrario, cuando este desaparece, el circuito se apaga hasta que aparezca otro estímulo, y así sucesivamente.
Lo que ha conseguido Lu y sus colaboradores ha sido diseñar un circuito lógico que se altera de forma irreversible al entrar en contacto con un primer estímulo, generando una memoria permanente de ese primer acontecimiento. Por tanto, han logrado unir la función lógica y la memoria en un solo circuito celular.
Una memoria de 90 generaciones
Para conseguirlo, los científicos partieron de circuitos de memoria que ellos mismos habían diseñado en 2009. Estos circuitos dependen de unas enzimas conocidas como recombinasas, capaces de eliminar segmentos de ADN, girarlos o insertarlos. La activación secuencial de estas enzimas permite a estos circuitos contar los eventos (del ADN) que suceden dentro de una célula.
El diseño de los nuevos circuitos se hizo integrando esta función de memoria de los antiguos circuitos en una puerta lógica. En una puerta lógica o AND típica, dos señales entrantes activan proteínas que, a su vez, ponen en marcha la expresión de un gen.
En los nuevos circuitos, en cambio, estas señales generan una alteración estable en regiones de la AND relacionadas con la producción de proteínas. Además, la memoria de activación de la puerta lógica se almacena permanentemente en la secuencia de ADN de la célula, pasando a al menos 90 generaciones de células posteriores.
Gracias a esta ‘herencia’, los científicos que quieran leer la historia de la célula podrán hacerlo bien midiendo su producción de proteínas (que permanecerá activa) bien, si la célula ha muerto, mediante la secuenciación de su ADN, explican los investigadores.
En definitiva, gracias a este método, en lugar de crear circuitos siempre activos o dependientes de estímulos para desarrollar su función, se podrán programar a largo plazo circuitos para funciones concretas, dado que las células y sus descendientes ‘recordarán’ la información inicial, sin necesidad de que se les proporcionen nuevas señales.
Estos circuitos, descritos recientemente en la revista Nature Biotechnology, podrían ser utilizados como sensores ambientales de larga duración, eficientes controles para la biofabricación o en la programación de células madre para que estas se diferencien en diversos tipos celulares, informa el MIT en un comunicado.
"Casi todo los trabajos en biología sintética anteriores se han centrado bien en las funciones lógicas de los componentes bien en módulos codificadores de memoria. Creemos que la computación compleja ha de implicar una combinación de lógica y memoria, y por eso hemos desarrollado esta estructura concreta ", explica Timothy Lu, profesor de ingeniería eléctrica, ciencias de la computación e ingeniería biológica del MIT y autor principal del artículo de Nature Biotechnology.
En biología sintética, se utilizan segmentos genéticos intercambiables para diseñar circuitos con funciones específicas, como detectar una sustancia química en un entorno. Por ejemplo, una sustancia química específica generaría una respuesta también específica en este tipo de circuitos, como la producción de una proteína verde fluorescente o GFP (que indicaría a los investigadores la presencia de dicha sustancia).
Pero estos circuitos también pueden ser diseñados –además de para tener ‘memoria’, en este caso, de una sustancia química dada- para que funcionen como puertas lógicas o AND.
Las AND son dispositivos electrónicos que suman, multiplican, niegan o afirman, incluyen o excluyen, según sus propiedades lógicas. Estos dispositivos, que se integran en chips, se pueden aplicar a tecnología electrónica, eléctrica, mecánica, hidráulica y neumática.
Sin embargo, en la mayoría de los circuitos lógicos celulares, la respuesta de los circuitos o su función se produce solo cuando está presente un estímulo. Por el contrario, cuando este desaparece, el circuito se apaga hasta que aparezca otro estímulo, y así sucesivamente.
Lo que ha conseguido Lu y sus colaboradores ha sido diseñar un circuito lógico que se altera de forma irreversible al entrar en contacto con un primer estímulo, generando una memoria permanente de ese primer acontecimiento. Por tanto, han logrado unir la función lógica y la memoria en un solo circuito celular.
Una memoria de 90 generaciones
Para conseguirlo, los científicos partieron de circuitos de memoria que ellos mismos habían diseñado en 2009. Estos circuitos dependen de unas enzimas conocidas como recombinasas, capaces de eliminar segmentos de ADN, girarlos o insertarlos. La activación secuencial de estas enzimas permite a estos circuitos contar los eventos (del ADN) que suceden dentro de una célula.
El diseño de los nuevos circuitos se hizo integrando esta función de memoria de los antiguos circuitos en una puerta lógica. En una puerta lógica o AND típica, dos señales entrantes activan proteínas que, a su vez, ponen en marcha la expresión de un gen.
En los nuevos circuitos, en cambio, estas señales generan una alteración estable en regiones de la AND relacionadas con la producción de proteínas. Además, la memoria de activación de la puerta lógica se almacena permanentemente en la secuencia de ADN de la célula, pasando a al menos 90 generaciones de células posteriores.
Gracias a esta ‘herencia’, los científicos que quieran leer la historia de la célula podrán hacerlo bien midiendo su producción de proteínas (que permanecerá activa) bien, si la célula ha muerto, mediante la secuenciación de su ADN, explican los investigadores.
En definitiva, gracias a este método, en lugar de crear circuitos siempre activos o dependientes de estímulos para desarrollar su función, se podrán programar a largo plazo circuitos para funciones concretas, dado que las células y sus descendientes ‘recordarán’ la información inicial, sin necesidad de que se les proporcionen nuevas señales.
Posibles aplicaciones
Este sistema podría servir para fabricar un tipo de circuitos conocido como ‘conversor digital-analógico’. Estos conversores toman señales digitales - por ejemplo, de la presencia o la ausencia de sustancias químicas específicas - y las convierten en salidas analógicas que reflejan una serie de valores, como los niveles continuos de una expresión génica.
Estos circuitos podrían proporcionar un mejor control sobre la producción de células generadoras de biocombustibles, fármacos u otros compuestos útiles. Y, en el desarrollo de células madre, servirían para controlar con mayor precisión los procesos celulares, a medida que las células madre se conviertan en otro tipo de células, aseguran los autores del avance.
Más sobre biología sintética
En términos generales, la biología sintética se define como 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. Esta rama de la ciencia busca la creación de nuevos organismos programables, es decir, la creación de microorganismos a la carta que se comporten como pequeños ordenadores.
Los científicos esperan que estos ‘miroorganismos computacionales’ sirvan en un futuro para reparar o regenerar tejidos, para la reprogramación celular o para conocer mejor las enfermedades y, por tanto, para desarrollar fármacos a la carta.
En lo que se refiere al medio ambiente, las investigaciones de biología sintética se están dirigiendo hacia el diseño de sistemas complejos y el rediseño de componentes biológicos inspirados en circuitos electrónicos para destinarlos a la eliminación de compuestos tóxicos o la descontaminación de los ecosistemas. En el sector energético, se plantea la producción de bioenergía mediante microorganismos sintéticos, una posibilidad que se encuentra en sus primeras etapas de desarrollo.
Esta disciplina se encuentra en crecimiento, y avances recientes la hacen cada vez más prometedora. El último del que hemos sabido podría ayudar a superar uno de sus principales escollos: la lentitud del desarrollo de las piezas necesarias para fabricar estas auténticas fábricas en miniatura. En este sentido, científicos del Reino Unido han ideado un sistema que permite crear dichas piezas en masa en el interior de tubos de ensayo en lugar de en células directamente, lo que abre la puerta a su fabricación en cadena.
Este sistema podría servir para fabricar un tipo de circuitos conocido como ‘conversor digital-analógico’. Estos conversores toman señales digitales - por ejemplo, de la presencia o la ausencia de sustancias químicas específicas - y las convierten en salidas analógicas que reflejan una serie de valores, como los niveles continuos de una expresión génica.
Estos circuitos podrían proporcionar un mejor control sobre la producción de células generadoras de biocombustibles, fármacos u otros compuestos útiles. Y, en el desarrollo de células madre, servirían para controlar con mayor precisión los procesos celulares, a medida que las células madre se conviertan en otro tipo de células, aseguran los autores del avance.
Más sobre biología sintética
En términos generales, la biología sintética se define como 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. Esta rama de la ciencia busca la creación de nuevos organismos programables, es decir, la creación de microorganismos a la carta que se comporten como pequeños ordenadores.
Los científicos esperan que estos ‘miroorganismos computacionales’ sirvan en un futuro para reparar o regenerar tejidos, para la reprogramación celular o para conocer mejor las enfermedades y, por tanto, para desarrollar fármacos a la carta.
En lo que se refiere al medio ambiente, las investigaciones de biología sintética se están dirigiendo hacia el diseño de sistemas complejos y el rediseño de componentes biológicos inspirados en circuitos electrónicos para destinarlos a la eliminación de compuestos tóxicos o la descontaminación de los ecosistemas. En el sector energético, se plantea la producción de bioenergía mediante microorganismos sintéticos, una posibilidad que se encuentra en sus primeras etapas de desarrollo.
Esta disciplina se encuentra en crecimiento, y avances recientes la hacen cada vez más prometedora. El último del que hemos sabido podría ayudar a superar uno de sus principales escollos: la lentitud del desarrollo de las piezas necesarias para fabricar estas auténticas fábricas en miniatura. En este sentido, científicos del Reino Unido han ideado un sistema que permite crear dichas piezas en masa en el interior de tubos de ensayo en lugar de en células directamente, lo que abre la puerta a su fabricación en cadena.
Referencia bibliográfica:
Piro Siuti, John Yazbek, Timothy K Lu. Synthetic circuits integrating logic and memory in living cells. Nature Biotechnology (2013). DOI: 10.1038/nbt.2510.
Piro Siuti, John Yazbek, Timothy K Lu. Synthetic circuits integrating logic and memory in living cells. Nature Biotechnology (2013). DOI: 10.1038/nbt.2510.
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