Los bioingenieros trabajan en el desarrollo de computadoras biológicas con el objetivo de diseñar pequeños circuitos de material biológico que puedan integrarse en las células para cambiar sus funciones. En el futuro, estos avances podrían permitir reprogramar las células cancerosas y evitar así que se dividan a un ritmo incontrolable. También podrían reprogramarse células madre para convertirlas en células de órganos diferenciadas.
Los investigadores aún no han llegado tan lejos. Aunque llevan 20 años desarrollando componentes individuales y prototipos de computadoras biológicas, las biocomputadoras actuales todavía difieren considerablemente de sus equivalentes de silicio, y los bioingenieros siguen afrontando varios obstáculos importantes.
Por ejemplo, un chip de silicio calcula con unos y ceros —la corriente circula o no— y puede cambiar entre esos estados en un abrir y cerrar de ojos. En cambio, las señales biológicas son menos nítidas: además de «señal» y «sin señal», hay una multitud de estados intermedios con «un poco de señal». Esto supone una desventaja particular para los componentes de biocomputadoras que actúan como sensores de biomoléculas específicas y transmiten la señal correspondiente. A veces también envían una señal de salida aunque no haya ninguna señal de entrada, y el problema empeora cuando se conectan varios componentes de este tipo en secuencia dentro de un circuito.
Un biosensor que no «tenga fugas»
Nicolas Lapique, estudiante de doctorado de ETH Zurich en Basilea, perteneciente al grupo dirigido por Yaakov Benenson, profesor de Biología Sintética del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Biosistemas de ETH Zurich, ha desarrollado un circuito biológico que controla la actividad de componentes sensores individuales mediante un «temporizador» interno. Este circuito impide que un sensor esté activo cuando el sistema no lo necesita; cuando sí lo necesita, puede activarse mediante una señal de control. Los investigadores publicaron recientemente su trabajo en la revista científica Nature Chemical Biology.
Para entender la tecnología subyacente, es importante saber que estos sensores biológicos consisten en genes sintéticos que las enzimas leen y convierten en ARN y proteínas. En el biosensor controlable desarrollado por Lapique, el gen responsable de la señal de salida está inactivo en su estado básico, ya que está instalado en la orientación equivocada en el ADN del circuito. Una enzima especial, una recombinasa, activa el gen: lo extrae del ADN del circuito y lo reinstala en la orientación correcta. «Gracias al control preciso de los tiempos en el circuito, las señales de entrada pueden transmitirse con mucha más exactitud que antes», afirma Benenson.
Hasta la fecha, los investigadores han probado el funcionamiento de su sensor listo para activarse en cultivos celulares de células humanas de riñón y cancerosas. Aun así, ya están pensando en cómo seguir desarrollándolo para que pueda utilizarse en una biocomputadora más compleja capaz de detectar y destruir células cancerosas. Estas biocomputadoras se diseñarán para detectar moléculas características del cáncer. Si se encuentran marcadores del cáncer en una célula, el circuito podría, por ejemplo, activar un programa de suicidio celular. Las células sanas sin marcadores del cáncer no se verían afectadas por este proceso.
Desarrollan un nuevo convertidor de señales
Sin embargo, combinar diversos componentes biológicos para formar biocomputadoras más complejas supone otro desafío para los bioingenieros. «En electrónica, los distintos componentes de un circuito siempre se conectan de la misma manera: con un cable por el que circula o no la corriente», explica Benenson. En biología hay una gran variedad de señales: multitud de proteínas distintas o moléculas de microARN. Para combinar componentes biológicos en cualquier secuencia deseada, es necesario conectar convertidores de señales entre ellos.
Laura Prochazka, también estudiante de doctorado bajo la dirección de Benenson, ha desarrollado un convertidor de señales versátil. Publicó recientemente su trabajo en la revista Nature Communications. Una característica especial del nuevo componente es que no solo convierte una señal en otra, sino que también permite convertir varias señales de entrada en varias señales de salida de forma sencilla.
Esta nueva plataforma biológica ampliará considerablemente el número de aplicaciones de los circuitos biológicos. Como afirma Benenson: «La capacidad de combinar componentes biológicos a voluntad de forma modular, como si fueran piezas listas para conectar y usar, significa que nos acercamos a la etapa en que el concepto de programación, tal como lo conocemos en la ingeniería de software, podrá aplicarse a las computadoras biológicas. En el futuro, los bioingenieros literalmente podrán programar».
Publicado en colaboración con ETH News
Autor: Fabio Bergamin es editor en ETH Zurich.
Imagen: En una ilustración artística sin fecha, difundida por el Instituto Nacional de Investigación del Genoma Humano, se ve una doble hélice de ADN. REUTERS/National Human Genome Research Institute/Handout
