El Laboratorio de Sistemas Complejos de la Universidad Pompeu Fabra ha desarrollado y validado experimentalmente un modelo matemático que predice la carga extra de trabajo que supone la expresión genética de un gen cuando es introducido en un organismo. Sorprendentemente, la fórmula matemática obtenida es equivalente a la ley de Ohm que determina el voltaje de un circuito eléctrico.
¿Podemos predecir el comportamiento de un organismo vivo a través de sus proteínas y genes de la misma forma que predecimos el de una máquina a través de sus componentes? Esta es una pregunta clave para muchos expertos en biología sintética: una disciplina que busca la aplicación de la ingeniería en el diseño de nuevos organismos modificados genéticamente. Científicos del Laboratorio de Sistemas Complejos del Departamento de Ciencias Experimentales y de la Salud (DCEXS) de la Universidad Pompeu Fabra (UPF) han formulado un modelo matemático que predice la expresión genética de un organismo y han obtenido que, lejos de seguir una lógica basada en las particularidades de la biología, presenta un sorprendente paralelismo con las leyes que rigen los circuitos eléctricos.
La biología sintética busca mejorar las funciones de los organismos concediéndoles capacidades que originalmente no tenían. Detrás de esta corriente están proyectos como la lucha contra la malaria o la generación de nuevas fuentes de energía de origen biológico.
Los cambios en el organismo son posibles gracias a la ingeniería genética, que permite añadir a un organismo genes provenientes de otras especies. Desde la biología sintética lo que se busca es no sólo introducir nuevo gen, sino las instrucciones necesarias que determinan cuándo y cuándo no el organismo realizará dicha función.
Sin embargo, cuando se introduce un gen en el ADN de una célula se genera estrés celular, que provoca una carga extra en la expresión genética de la célula y afecta a su metabolismo. Esta carga hace que sea imposible predecir el comportamiento de un circuito genético entero simplemente caracterizando por separado los genes que lo componen, siendo ésta una de las mayores limitaciones para el progreso de la biología sintética.
La expresión genética de una célula depende de los recursos que ésta tiene a su alcance, así que si la demanda de expresión genética aumenta (por la adición de un nuevo gen, por ejemplo), pero los recursos celulares son los mismos, el resultado final de la expresión se verá alterado. De la misma forma que a veces encendemos una estufa en nuestra casa y vemos que se resiente la luz de la bombilla de la habitación, en un organismo vivo la adición de un gen puede afectar a la expresión de otro, por muy poca relación que aparentemente tengan ya que dependen de una misma fuente de recursos celulares.
La metáfora de los electrodomésticos en una casa no es casual. El equipo liderado por Carlos Rodríguez y Javier Macía ha formulado un modelo matemático para predecir la carga genética que sufrirá una célula cuando se le introduce un gen determinado. El modelo matemático ha resultado en una fórmula sorprendentemente similar a la de la ley de Ohm que rige los circuitos eléctricos en serie.
Este modelo matemático ha sido validado experimentalmente con bacterias. Los autores de este artículo científico confirman pues que un circuito genético responde al incremento de cargas genéticas de igual manera que un circuito eléctrico conectado a una fuente de energía responde a las cargas eléctricas.
La fórmula obtenida y su validación demuestran que la carga genética es una propiedad aditiva que permite predecir el comportamiento de un sistema genético completo, un escalón fundamental en la ingeniería genética que hasta ahora no podía alcanzarse.
La genética no es el único campo en el que una ley de Ohm adaptada parece encajar. Estudios previos demuestran que otros circuitos, como el sistema sanguíneo circulatorio o la disipación del calor corporal, también se rigen por fórmulas matemáticas similares a la ley de Ohm.
“La ley de Ohm podría ser en realidad un principio general que va más allá de una metáfora eléctrica”, comentan los autores. Este estudio sugiere la existencia de una ley fundamental aplicable a aquellos sistemas en los que existe una competición por los recursos necesarios para llevar a cabo actividades de regulación.
Referencia bibliográfica:
M. Carbonell-Ballestero, E. Garcia-Ramallo, R. Montañez, C. Rodriguez-Caso, J. Macía. Dealing with the genetic load in bacterial synthetic biology circuits: convergences with the Ohm's law. Nucleic Acids Research, Diciembre 2015. DOI: 10.1093/nar/gkv1280
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