El primer transistor biológico introduce la computación en células vivas

Cuando Charles Babbage creó el prototipo de la primera máquina de computación en el siglo XIX, su mente esbozó una serie de artefactos mecánicos perfectamente engranados para controlar la información. Más tarde ENIAC, considerada la primera computadora moderna desarrollada en la década de los cuarenta, utilizó tubos de vacío y electricidad. Hoy en día, los ordenadores usan transistores hechos de materiales semiconductores de alta ingeniería para llevar a cabo sus operaciones lógicas.

Y ahora, un equipo de bioingenieros de la Universidad de Stanford en California, Estados Unidos, ha llevado la computación más allá de la mecánica y la electrónica, trasladándola al reino viviente de la biología. En un artículo publicado en la revista Science, el equipo aporta los detalles de un transistor biológico de material genético, con ADN y ARN como base, en lugar de engranajes o electrones.

Bautizado como Transcriptor, su creación permitirá a los ingenieros ejecutar tareas computacionales en el interior de células vivas para, por ejemplo, registrar cuando las células se han expuesto a determinados estímulos externos o factores ambientales, o incluso activar y desactivar la reproducción celular, según sea necesario.

De esta forma se da un paso de gigante en el desarrollo de la computación biológica, centrada desde sus orígenes en los años cincuenta en el uso de organismos vivos o alguno de sus componentes para realizar cálculos computacionales u otro tipo de operaciones asociadas con la informática.

“La computación biológica puede utilizarse para estudiar y reprogramar sistemas vivos, vigilar cambios en el entorno o mejorar terapias celulares”, destaca al respecto Drew Endy, profesor adjunto de Bioingeniería y coautor del artículo, según un comunicado de la Universidad.

De electrónica a biología

La investigación se centra en la creación del primer análogo biológico del transistor, pieza clave en la electrónica moderna. Así, mientras en electrónica este dispositivo controla el flujo de electrones a lo largo de un alambre de metal, en biología se encarga del movimiento de una proteína específica, en este caso la ARN polimerasa, a lo largo de una cadena de ADN. En otras palabras, el ADN sustituye al cable, y la ARN al electrón.

Para ello han utilizado un grupo de proteínas naturales llamadas integrasas, conocidas por alterar la programación de la célula humana para que fabrique VIH. La elección de estas enzimas concretas es muy importante, ya que deben funcionar en bacterias, hongos, plantas y animales, “para que las biocomputadoras puedan modificarse dentro de una variedad de organismos”, destaca Jerome Bonnet, investigador de Bioingeniería y autor principal del estudio.

Usando varios transcriptores, el equipo ha creado lo que se conoce en ingeniería eléctrica como puertas lógicas, capaces de generar respuestas de verdadero-falso a prácticamente cualquier pregunta bioquímica que se plantee en una célula. Los investigadores se refieren a ellas como Puertas Lógicas Booleanas de Integrasa (Boolean Integrase Logic Gates, en inglés) o BIL Gates, para abreviar.

Estas puertas no constituyen un ordenador por sí solas, pero sí son el tercer y último componente necesario para que una computadora biológica pueda funcionar dentro de células vivas individuales. Su misión sería la misma que la de cualquier equipo convencional, es decir, almacenar y transmitir datos, y realizar operaciones lógicas con ellos.

Los otros dos componentes ya fueron noticia el año pasado. Endy y su equipo diseñaron un tipo de almacenamiento de datos digital regrabable en el ADN, además de un mecanismo para transmitir información genética de célula a célula, una especie de Internet biológica. Todo ello se suma a la creación de un equipo dentro de una célula viva.

Aplicación

Otra similitud entre electrónica y biología son las posibilidades que ofrecen, ilimitadas en ambos casos. “Se puede probar si una célula se ha expuesto a cualquier número de estímulos externos, como la presencia de glucosa y cafeína. En ese caso las puertas lógicas permitirían tomar esa determinación y almacenar la información, por lo que se podría identificar fácilmente las expuestas de las que no", explica Bonnet.

De la misma manera, se puede indicar a una célula que inicie o detenga la reproducción en función de determinados factores. Y si a ello se suma la Internet biológica diseñada también por el equipo, es posible comunicar la información genética de célula a célula para orquestar el comportamiento de un grupo.

Los investigadores esperan que, a largo plazo, las biocomputadoras puedan utilizarse para estudiar y reprogramar sistemas de vida y mejorar las terapias celulares, un campo de la medicina que se basa en la genética y la biología celular para regenerar y reemplazar tejidos y órganos muertos o enfermos.

“Las posibles aplicaciones están únicamente limitadas por la imaginación del investigador”, según la coautora del estudio Monica Ortiz. De hecho, el equipo sugiere que algún día podrían existir puentes vivos o edificios construidos por el crecimiento autodirigido de sus materiales naturales -controlados por circuitos biológicos internos-, o incluso pequeños submarinos médicos, con ordenadores de ADN a bordo, navegando en el interior de nuestros cuerpos.

Para conseguir que todo esto sea una realidad cuanto antes, Endy y su equipo han expuesto todos los componentes al dominio público para que puedan aprovecharse inmediatamente y mejorar así las herramientas. “La mayoría de la biotecnología no se ha imaginado aún, y mucho menos se ha convertido en una realidad. Al compartir libremente importantes herramientas básicas todos podemos trabajar juntos y mejor”, confía Bonnet.