Investigadores de la Universidad Pompeu Fabra diseñan dispositivos biológicos capaces de responder a varias señales externas, abriendo así la posibilidad de ser utilizados como sensores de biomoléculas o en la generación de sustancias como fármacos u hormonas. De este modo, el nuevo estudio describe cómo evitar los problemas asociados a la creación de circuitos biológicos.
La creación de circuitos capaces de realizar las acciones que nosotros deseamos constituye uno de los mayores retos para la biología sintética. A pesar de los grandes esfuerzos invertidos en el desarrollo de estos dispositivos, los resultados obtenidos hasta ahora distan mucho del nivel de complejidad necesario para poder ser aplicados en los campos de la biomedicina o el medio ambiente.
De forma general, el diseño de dispositivos celulares complejos comporta una aplicación masiva de ingeniería genética que hace que las células no puedan ser reutilizadas. Además, también existe un problema de conexión: mientras que en los circuitos electrónicos es suficiente con utilizar cables del mismo tipo para conducir las señales, en los circuitos biológicos la información se transmite a través de moléculas que deben ser de varios tipos para activar diferentes genes. Estas redes son enormemente complejas, con muchas conexiones y efectos colaterales que hacen muy difícil aplicar una ingeniería predecible.
Un grupo de investigación, liderado por Ricard Solé y Francesc Posas, ambos investigadores del departamento de Ciencias Experimentales y de la Salud (DCEXS) de la Universidad Pompeu Fabra (UPF), ha creado un nuevo sistema que requiere de modificaciones genéticas mínimas y que permite el uso de una sola molécula como herramienta de transmisión. Se trata de aplicar tres sencillos cambios a la hora de crear los circuitos biológicos.
El primero es el uso de varios tipos celulares, cada uno dotado de un diseño genético propio. Así, en lugar de realizar modificaciones que a menudo dan lugar a efectos inesperados en los circuitos complejos de un solo tipo de célula, se realizan ligeras modificaciones genéticas a varios grupos celulares que cooperarán para llevar a cabo la respuesta deseada. Los dos cambios restantes son la utilización de la segregación espacial y la distribución de los productos, que permiten reducir el número de conexiones necesarias.
Lo mejor de este nuevo sistema es que permite que los diferentes grupos celulares se combinen entre ellos de diversas maneras para obtener resultados diferentes, como si fuesen piezas de Lego que se pueden montar de muchas formas distintas. Así, estos investigadores han creado un circuito con seis grupos celulares (cada uno responde a una señal externa en concreto) que se pueden reordenar para formar un total de 18 trillones de circuitos diferentes. Esta combinatoria abre la puerta a un gran número de funciones que se podrían diseñar.
La computación más allá de la electrónica
El estudio, publicado en PLOS Computational Biology, habla de computadores biológicas: grupos de células modificadas genéticamente que actúan siguiendo en parte la lógica binaria (de ceros y unos) convencional, pero con un diseño que se aleja tanto de la electrónica como de los diseños biológicos.
Este tipo de sistema posee una gran flexibilidad, es fácil de rediseñar y podría permitir crear grupos de células con capacidad para tomar decisiones ante una gran variedad de estímulos. Esto permite imaginar aplicaciones relacionadas con biosensores “inteligentes” o la creación de kits de diagnóstico, por ejemplo. Este tipo de herramientas permiten avanzar hacia una tecnología personalizada en la que los usuarios diseñan y construyen sus dispositivos en función de la aplicación que les quieran otorgar.
Referencia bibliográfica:
Macia J, Manzoni R, Conde N, Urrios A, de Nadal E, Solé R, Posas F. "Implementation of Complex Biological Logic Circuits Using Spatially Distributed Multicellular Consortia". PLoS Comput Biol. Febrero de 2016 doi:10.1371/journal.pcbi.1004685.
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