CAMBRIDGE, Massachusetts, 31 de marzo.- Si los biólogos pudieran colocar controles computacionales dentro de células vivas, podrían hacerlas percibir y reportar la presencia de cáncer, crear medicamentos en el mismo lugar para combatirlo, o dinámicamente ajustar tanques de fermentación usados para fabricar drogas y otros químicos. (Enlace a 'How to Make a Computer from a Living Cell')

Científicos de la Universidad de Stanford han desarrollado una manera de crear partes genéticas que pueden ejecutar cálculos lógicos que podrían algún día controlar este tipo de actividades.

La compuerta lógica genética (genetic logic gate) desarrollada en Stanford puede usarse para ejecutar todas las tareas digitales lógicas y puede también almacenar información. Esta compuerta funciona por medio de cambios en el genoma de la célula, creando una especie de transcripción de sus actividades que puede ser leída posteriormente por un secuenciador de ADN.

La portada del número más reciente de Science muestra un cáncer de colon identificado con una prueba de bario. De fondo se ve una secuencia genética. El análisis de la sequencia genética de los tumores muestra un patrón de alteraciones que abre la puerta a terapias contra el cáncer más efectivas. (Imagen: Mehau Kulyk/Science Source)

Los investigadores llaman a su invento un “transcriptor biológico” por su parecido al transistor en electrónica. “Queremos hacer herramientas para colocar computadoras dentro de cualquier célula viva –un poco de almacenamiento de información, una forma de comunicarse y lógica”, dice Drew Endy, profesor de bioingeniería en Stanford, quien dirige el estudio publicado en Science (enlace a 'A Computer Inside a Cell').

Timothy Lu, quien dirige el Grupo de Biología Sintética en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), trabaja en herramientas lógicas celulares similares (enlace a 'Synthetic circuits integrating logic and memory in living cells', en Nature Biotechnology). “No puedes colocar una computadora de silicio dentro de una célula, por lo que debes construirla a partir del ADN y proteínas”, dice Lu. “El  objetivo no es reemplazar a las computadoras, sino crear aplicaciones biológicas que la computación convencional no puede abordar”.

Simulación por computadora del resultado de una puerta biológica AND (a la izquierda) y los datos reales (derecha). (J. Bonnet et al., Science, 28 de marzo de 2013)

Los biólogos pueden dar a las células nuevas funciones a través de la ingeniería genética tradicional, pero Endy, Lu y otros que trabajan en el campo de la biología sintética quieren fabricar partes modulares que puedan combinarse para construir sistemas complejos a partir de cero. Las compuertas lógicas celulares serán un punto clave para este tipo de ingeniería, dice Endy.

Células genéticamente programadas con compuertas biológicas “AND” podrían, por ejemplo, usarse para detectar y tratar el cáncer, dice Endy. Si la proteína A y la proteína B están presentes –donde esas proteínas caracterizan el desarrollo, digamos, de cáncer de pecho– entonces se alertará a la célula a producir la proteína C, una droga contra el cáncer.

En el ejemplo del cáncer, dice Endy, quizá desees que la célula responda a bajos niveles de cáncer (la señal) y produzca grandes cantidades de medicamento.

El caso es el mismo para células biológicas diseñadas para detectar contaminantes en el agua –idealmente generarán una señal fuerte (por ejemplo, determinadas cantidades de proteínas fluorescentes brillantes) cuando detecten una pequeña cantidad de contaminante.

Cuando la producción de esas enzimas se dispara por la señal –una proteína, por ejemplo–, estas enzimas borrarán o invertirán una porción particular del ADN en el genoma. Los investigadores pueden codificar el transcriptor para responder a una o varias señales distintas. La señal puede ser amplificada, ya que un cambio en el ADN de la célula puede llevarla a producir grandes cantidades de proteína en un lapso breve.

Dependiendo de la manera en que el transcriptor esté diseñado, puede actuar como una compuerta lógica distinta –una compuerta “AND” que se enciende sólo en la presencia de dos proteínas, una compuerta “OR”que se habilita por una señal u otra, y así en ese estilo.

Los circuitos lógicos (puertas AND, OR o XOR) combinan señales según ciertas reglas. El procesador de una computadora es un cúmulo de circuitos lógicos

Endy señala que estas compuertas podrían combinarse en circuitos mucho más complejos haciendo la salida de una compuerta la entrada de la siguiente.