En los últimos años, los investigadores han logrado grandes avances en el diseño y la creación de circuitos biológicos: sistemas que, al igual que los circuitos electrónicos, pueden recibir diversas entradas y producir un tipo concreto de salida. Sin embargo, aunque los componentes individuales de esos circuitos biológicos pueden tener respuestas precisas y predecibles, los resultados se vuelven menos predecibles a medida que se combinan más elementos.
Un equipo de investigadores del MIT ha ideado una forma de reducir considerablemente esa imprevisibilidad, al presentar un dispositivo que, en última instancia, podría permitir que esos circuitos se comportaran de manera casi tan predecible como sus homólogos electrónicos. Los hallazgos se publican esta semana en la revista Nature Biotechnology, en un artículo de Domitilla Del Vecchio, profesora asociada de ingeniería mecánica, y Ron Weiss, profesor de ingeniería biológica.
El autor principal del artículo es Deepak Mishra, estudiante de posgrado del MIT en ingeniería biológica. Entre los demás autores figuran Phillip Rivera, quien recientemente cursó una maestría en ingeniería mecánica, y Allen Lin, quien recientemente cursó una maestría en ingeniería eléctrica y ciencias de la computación.
Del Vecchio y Weiss explican que estos circuitos biológicos sintéticos tienen muchos usos potenciales. «Una aplicación concreta en la que estamos trabajando es la biosensibilidad: células capaces de detectar moléculas específicas en el entorno y producir una respuesta concreta», dice Del Vecchio. Un ejemplo serían células capaces de detectar marcadores que indiquen la presencia de células cancerosas y, a continuación, desencadenar la liberación de moléculas dirigidas a destruirlas.
Es importante que estos circuitos puedan distinguir con precisión entre células cancerosas y no cancerosas, para que no desaten su poder destructivo en lugares equivocados, dice Weiss. Para ello, los circuitos robustos de procesamiento de información creados a partir de elementos biológicos dentro de una célula son «sumamente importantes», afirma Weiss.
Hasta ahora, ese tipo de previsibilidad robusta no había sido posible, en parte debido a los efectos de retroalimentación que se producen al incorporar varias etapas de circuitos biológicos. El problema surge porque, a diferencia de los circuitos electrónicos, en los que cada componente está conectado físicamente al siguiente mediante cables que garantizan que la información fluya siempre en una dirección determinada, los circuitos biológicos están compuestos por elementos que flotan juntos en el complejo entorno líquido del interior de una célula.
El flujo de información se debe a las interacciones químicas entre los componentes individuales, que, idealmente, solo deberían afectar a otros componentes específicos. Pero, en la práctica, los intentos de crear este tipo de conexiones biológicas a menudo han dado resultados distintos de los esperados.
«Si montas el circuito esperando obtener la respuesta “X” y, en cambio, obtienes la respuesta “Y”, eso puede ser muy problemático», dice Del Vecchio.
El dispositivo que creó el equipo para abordar ese problema se llama controlador de carga, y su efecto es similar al de los controladores de carga utilizados en circuitos electrónicos: proporciona una especie de amortiguador entre la señal y la salida, e impide que los efectos de la señalización se propaguen hacia atrás por el sistema y provoquen retrasos en las salidas.
Aunque se trata de una investigación en una fase relativamente temprana, cuya aplicación comercial podría tardar años, el concepto podría tener una gran variedad de aplicaciones, dicen los investigadores. Por ejemplo, podría dar lugar a circuitos biológicos sintéticos que midan continuamente los niveles de glucosa en la sangre de pacientes diabéticos y desencadenen automáticamente la liberación de insulina cuando sea necesario.
La incorporación de este controlador de carga al repertorio de componentes disponibles para quienes diseñan circuitos biológicos, dice Del Vecchio, «podría aumentar la complejidad de los circuitos que se pueden diseñar», lo que abriría nuevas posibilidades de aplicación y garantizaría que su funcionamiento fuera «robusto y predecible».
James Collins, profesor de ingeniería biomédica de la Universidad de Boston, quien no participó en esta investigación, afirma: «Los esfuerzos en biología sintética por crear circuitos genéticos complejos suelen verse obstaculizados por interacciones imprevistas o no caracterizadas entre los submódulos de los circuitos. Estas interacciones alteran las características de entrada y salida de los submódulos y provocan un comportamiento no deseado del circuito».
Sin embargo, Collins afirma: «Del Vecchio y Weiss han logrado un avance importante para el campo al crear un dispositivo genético capaz de tener en cuenta y corregir estas interacciones, lo que conduce a un comportamiento más predecible del circuito».
Publicado en colaboración con MIT News
Autor: David L. Chandler escribe para MIT News
Imagen: Una enfermera posa para una foto en un centro de traumatología del University of Mississippi Medical Center en Jackson, Mississippi, el 4 de octubre de 2013. REUTERS/Jonathan Bachman
