Un equipo de científicos dirigido por Andre Levchenko, biólogo de sistemas e ingeniero biomédico de la Universidad de Yale, ha desarrollado un método novedoso para cartografiar la variabilidad bioquímica, o «ruido», en la forma en que las células humanas responden a las señales químicas. La investigación, publicada el 17 de noviembre en Proceedings of the National Academy of Science, podría utilizarse para adaptar la administración de fármacos a las respuestas celulares individuales de cada paciente y podría tener otras repercusiones en los avances del diseño de chips semiconductores.
El método de Levchenko se basa en reconocer que cada célula reacciona de manera única a las señales químicas del organismo, incluso cuando todas las células proceden del mismo paciente e incluso del mismo tejido: algunas pueden reaccionar con intensidad, mientras que otras quizá no reaccionen en absoluto. La gran diversidad de respuestas se considera una respuesta ruidosa.
El nuevo método cartografía el ruido en múltiples ramas de redes bioquímicas complejas. «Saber cuán variable es la actividad nos permite apuntar mejor a los espectros de actividad de esas redes», dijo Levchenko, profesor John C. Malone de Ingeniería Biomédica y director fundador del Yale Systems Biology Institute.
«Por ejemplo, si el espectro de respuesta de una red celular específica es menos ruidoso, una dosis comparativamente pequeña del fármaco podría actuar sobre todo el espectro. Nuestra técnica de cartografía permite a investigadores y médicos identificar esas redes menos ruidosas, que podrían ser únicas para cada paciente», dijo.
Para esta investigación, el equipo de Levchenko —que incluía a Alex Rhee y Raymond Cheong, de la Universidad Johns Hopkins— estudió un sistema de señalización estimulado por la citocina factor de necrosis tumoral (TNF), que suelen producir las células que responden a infecciones. Cuando las células centinela del organismo detectan materiales extraños, transmiten la molécula TNF para activar la primera línea de la respuesta inmunitaria.
Mediante una combinación de observaciones experimentales y algoritmos matemáticos, el equipo midió el efecto de la señal de entrada de TNF en un pequeño número de moléculas objetivo y luego dedujo cómo la señal desencadenada por el TNF se propagaba por la red. Como la señal de TNF se originaba en el mismo punto, el equipo pudo reconstruir eficientemente cómo respondían a la señal distintas ramas de las redes de comunicación celular, sin medir las docenas de moléculas afectadas.
«Los experimentos anteriores en este campo, incluidos los nuestros, se centraban en estas respuestas de la red observando el comportamiento celular promedio, quizá en millones de células a la vez», dijo Levchenko. «El nuevo método es único porque requiere relativamente pocos objetivos —observamos solo tres factores de transcripción objetivo— para reconstruir no solo cuán reactivas son varias ramas de la red de señalización, sino también cuán ruidosas son. Con esta metodología eficaz, ahora podemos emprender una cartografía exhaustiva de las fuentes de ruido en las redes de señalización».
A su vez, identificar qué redes eran más ruidosas permitió al equipo de Levchenko confirmar experimentalmente que el ruido tiende a aumentar a medida que se alarga la cadena de comunicación, algo que podría ser aplicable a la investigación no solo de redes biológicas, sino también de redes eléctricas.
«A pesar del ruido en las redes celulares —dijo—, la biología permite que las células y los organismos funcionen bien. De manera similar, a medida que los componentes electrónicos actuales se hacen más pequeños, los diseñadores de chips necesitan estudiar y sortear cada vez más el ruido de señalización. Por esta razón, los desafíos de construir dispositivos computacionales eficaces y diseñar tratamientos médicos eficaces son más parecidos de lo que parece».
Como reflejo de esta naturaleza interdisciplinaria, la investigación recibió apoyo tanto de los National Institutes of Health como de la Semiconductor Research Corporation.
Publicado en colaboración con Yale News
Autor: Rase McCray desarrolla y dirige actividades que amplían la visibilidad de la School of Engineering & Applied Science de Yale.
Imagen: Chips de memoria, recogidos de artículos electrónicos desechados, fotografiados en Eco-System Recycling Co, planta de reciclaje de Dowa Holdings Co, en Honjo, al norte de Tokio, el 28 de marzo de 2008. REUTERS/Yuriko Nakao.
