Las células vivas deben procesar constantemente información para poder hacer un seguimiento del cambiante mundo a su alrededor y lograr así reaccionar de la manera apropiada.

A través de miles de millones de años de prueba y error, la evolución ha alcanzado un buen modo de procesamiento de información a nivel celular. En los microchips que actúan en nuestros ordenadores, las capacidades de procesamiento de información reducen los datos a los inequívocos ceros y unos. En las células, esto no es tan sencillo. El ADN, las proteínas, los lípidos y los azúcares están dispuestos en estructuras complejas y compartimentadas.

Pero si queremos aprovechar el potencial de las células como computadoras vivientes que puedan reaccionar del modo idóneo ante las enfermedades, o como productoras eficientes de biocombustibles o de otras sustancias químicas, no podemos aguardar a que la evolución haga por sí sola este trabajo de adaptación.

Un equipo de investigadores en biología sintética, incluyendo a Eric Klavins, de la Universidad de Washington en la ciudad estadounidense de Seattle, ha demostrado un nuevo método de procesamiento digital de información en células vivas, comparable al trabajo que hacen las compuertas lógicas usadas en los circuitos electrónicos. Klavins y sus colegas han preparado una serie de genes sintéticos que funcionan en las células como compuertas NOR, usadas habitualmente en electrónica digital, las cuales toman dos señales de entrada y solo pasan una señal positiva si las dos primeras de entrada son negativas. Las compuertas NOR son funcionalmente completas, lo que quiere decir que se las puede instalar en diferentes disposiciones para producir cualquier tipo de circuito de procesamiento de información.

Los ingenieros de la Universidad de Washington hicieron todo esto usando ADN en vez de silicio y soldaduras, y dentro de células de levadura en vez de en una placa de circuitos electrónicos. Los circuitos que estos investigadores han fabricado son los mayores de los que se tenga conocimiento formal hasta la fecha en células eucariotas, el tipo de células que poseemos los humanos. Las células eucariotas se caracterizan por albergar un núcleo y otras estructuras que permiten comportamientos complejos.

Las células podrían potencialmente ser reprogramadas para someterse a nuevas vías de desarrollo, para regenerar órganos o para desarrollos completamente nuevos. En ciertos tejidos en desarrollo, las células tienen que tomar decisiones digitales complejas sobre qué genes interpretar y cuándo, y la nueva tecnología podría ser utilizada para controlar ese proceso.

«Aunque la implementación de programas sencillos en las células nunca competirá con la velocidad o exactitud de la computación, los programas genéticos pueden interactuar directamente con el entorno de la célula«, dijo Eric Klavins, autor senior y profesor de ingeniería eléctrica UW. «Por ejemplo, las células reprogramadas en un paciente podrían tomar decisiones terapéuticas específicas en los tejidos más relevantes, evitando la necesidad de diagnósticos complejos y enfoques de amplio espectro para el tratamiento».

Cada compuerta celular NOR se compone de un gen con tres tramos programables de ADN – dos para actuar como entradas, y uno para ser la salida. Los autores aprovecharon una tecnología relativamente nueva conocida como CRISPR-Cas9 para dirigir esas secuencias de ADN específicas dentro de una célula. La proteína Cas9 actúa como un guardián molecular en el circuito, sentado en el ADN y determinando si una compuerta en particular estará activa o no.

Si una compuerta está activa, expresa una señal que dirige al Cas9 para desactivar otra compuerta dentro del circuito. De esta manera, los investigadores pueden «conectar» las compuertas para crear programas lógicos en la célula.

Según los investigadores, lo que distingue el estudio del trabajo anterior es la escala y la complejidad de los circuitos ensamblados exitosamente, que incluían hasta siete compuertas NOR montadas en serie o en paralelo.

En este tamaño, los circuitos pueden comenzar a ejecutar comportamientos realmente útiles tomando información de diferentes sensores ambientales y realizando cálculos para decidir la respuesta correcta. Las aplicaciones imaginadas incluyen células inmunitarias diseñadas que pueden detectar y responder a marcadores de cáncer o biosensores celulares que pueden diagnosticar fácilmente enfermedades infecciosas en el tejido del paciente.

Estos grandes circuitos de ADN dentro de las células son un paso importante hacia la capacidad de programar células vivas, dijeron los investigadores. Proporcionan un marco donde los programas lógicos pueden ser fácilmente implementados para controlar la función y el estado celular.

La investigación fue financiada por la Semiconductor Research Corporation y la National Science Foundation.

Fuente: UW, N de la Ciencia