Programan células 'conscientes' del orden en que pasan las cosas

La biología sintética permite a los investigadores programar células para realizar funciones novedosas como emitir fluorescencia en respuesta a una sustancia química en particular o producir medicamentos en respuesta a marcadores de enfermedades.

En un paso hacia la elaboración de circuitos celulares mucho más complejos, ingenieros de MIT (Massachusetts Institute of Technology, Boston, EE.UU.) han programado células para recordar y dar respuesta a una serie de acontecimientos.

Estas células pueden recordar, en el orden correcto, hasta tres instrucciones diferentes, pero este enfoque debe ser escalable para incorporar muchos más estímulos, dicen los investigadores. Usando este sistema, los científicos pueden realizar un seguimiento de eventos celulares que ocurren en un orden particular, crear sensores ambientales que almacenen historias complejas, o programar trayectorias celulares.

"Se pueden construir sistemas informáticos muy complejos si se integra el elemento de memoria con el cálculo", dice Timothy Lu, profesor asociado de ingeniería eléctrica y ciencias de la computación y de ingeniería biológica, y jefe del Grupo de Biología Sintética del Laboratorio de Investigación de Electrónica de MIT, en MIT News.

Este enfoque permite a los científicos crear "máquinas de estado" biológicas: dispositivos que existen en diferentes estados dependiendo de las órdenes que reciben. Los investigadores también crearon un software que ayuda a los usuarios a diseñar circuitos que implementan máquinas de estado con diferentes comportamientos, que luego pueden ser probados en las células.

Lu es el autor principal del estudio, que aparece en Science. Nathaniel Roquet, estudiante de posgrado de MIT y Harvard, es el autor principal del artículo.

En 2013, Lu y sus colegas diseñaron circuitos celulares que pudieran desempeñar una función lógica y luego almacenar una memoria del evento mediante codificación en su ADN.

Los circuitos de la máquina de estado que diseñan en el nuevo artículo se basan en enzimas llamadas recombinasas. Cuando son activadas por una información específica, tal como una señal química, las recombinasas eliminan o invierten un tramo particular de ADN, dependiendo de la orientación de dos secuencias diana de ADN conocidas como sitios de reconocimiento.

El tramo de ADN entre sitios puede contener sitios de reconocimiento para otras recombinasas que responden a diferentes informaciones. Mover o eliminar estos sitios altera lo que sucederá con el ADN si una segunda o tercera recombinasa se activa más tarde. Por lo tanto, la historia de una célula se puede determinar por la secuenciación de su ADN.

En la versión más simple de este sistema, con sólo dos informaciones de entrada, hay cinco estados posibles para el circuito: estados que corresponden a ninguna entrada, a la entrada A solamente, a la entrada B solamente, A seguida de B, y B seguida por A. Los investigadores también diseñaron y construyeron circuitos que registran tres entradas, en las que son posibles 16 estados.

Bacterias

Para este estudio, los investigadores programaron células de bacterias E. coli para que respondieran a sustancias comúnmente usadas en los experimentos de laboratorio, entre ellas ATc (un análogo del antibiótico tetraciclina), un azúcar llamado arabinosa, y una sustancia química llamada DAPG.

Sin embargo, para aplicaciones médicas o ambientales, las recombinasas podrían ser re-diseñadas para responder a otras condiciones tales como la acidez o la presencia de factores específicos de transcripción (proteínas que controlan la expresión génica).

Después de crear circuitos que pudieran registrar los acontecimientos, los investigadores incorporaron luego genes en el conjunto de sitios de unión de las recombinasas, junto con elementos genéticos reguladores. En estos circuitos, cuando las recombinasas reorganizan el ADN, los circuitos no sólo registran información, sino que también controlan qué genes se activan o desactivan.

Los investigadores han probado este método con tres genes que codifican diferentes proteínas fluorescentes -verdes, rojas y azules-, construyendo un circuito que expresa una combinación diferente de las proteínas fluorescentes para cada identidad y orden de las dos entradas. Por ejemplo, cuando las células que llevaban este circuito recibían la entrada A seguida por la entrada B emitían fluorescencia roja y verde, mientras que las células que recibían B antes de A lo hacían en rojo y azul.

Aplicaciones

El laboratorio de Lu espera ahora utilizar este enfoque para estudiar procesos celulares que están controlados por una serie de eventos, tales como la aparición de citoquinas u otras moléculas de señalización, o la activación de ciertos genes.

"Esta idea de que podemos registrar y responder no sólo a combinaciones de acontecimientos biológicos, sino también al orden en que suceden, abre una gran cantidad de aplicaciones posibles. Mucho se sabe sobre qué factores regulan la diferenciación de tipos celulares específicos o dan lugar a la progresión de ciertas enfermedades, pero no se sabe mucho sobre la organización temporal de esos factores. Esa es una de las áreas que esperamos poder trabajar en con nuestro dispositivo", dice Roquet.

Por ejemplo, los científicos podrían utilizar esta técnica para seguir la trayectoria de las células madre u otras células inmaduras a medida que se transforman en células maduras diferenciadas. También podrían seguir la progresión de enfermedades como el cáncer. Un estudio reciente ha demostrado que el orden en que se adquieren mutaciones que causan cáncer puede determinar el comportamiento de la enfermedad. Por otra parte, los ingenieros podrían utilizar la plataforma de la máquina de estado desarrollada aquí para programar funciones y vías de diferenciación celulares.

Referencia bibliográfica:

Nathaniel Roquet, Ava P. Soleimany, Alyssa C. Ferris, Scott Aaronson, Timothy K. Lu: Synthetic recombinase-based state machines in living cells. Science (2016). DOI: 10.1126/science.aad8559.