Las células como ordenadores
Estas células reprogramadas podrían realizar tareas médicas en nuestro cuerpo, como diagnosticar enfermedades o proporcionar tratamiento
Científicos de la ETH de Zúrich trabajan en el desarrollo de sistemas de conmutación de procesamiento de información en células biológicas. Ahora, por primera vez, han desarrollado un interruptor OR en células humanas que reacciona a diferentes señales.
En sus investigaciones, los científicos de la ETH de Zúrich introducen en los sistemas biológicos enfoques matemáticos y de procesamiento electrónico de la información (imagen simbólica).
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Las células biológicas podrían estar dotadas algún día de programas genéticos artificiales que funcionen de forma muy parecida a los sistemas electrónicos. Estas células reprogramadas podrían realizar tareas médicas en nuestro cuerpo, como diagnosticar enfermedades o proporcionar tratamiento. Una de las posibles aplicaciones serían las células inmunitarias alteradas que combaten las células tumorales. Dado que las células tumorales tienen características genéticas diferentes, en las células terapéuticas tendría que ejecutarse, por ejemplo, el siguiente programa bioquímico "Destruir una célula si es del tipo X o Y o Z".
En matemáticas y electrónica, una función de este tipo se llama puerta OR. "Son necesarias en los procesos de toma de decisiones cuando varias cosas diferentes conducen al mismo resultado, cuando hay que tratar con entradas alternativas al mismo tiempo", explica Jiten Doshi, estudiante de doctorado en el grupo del profesor Yaakov Benenson del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Biosistemas de la ETH de Zúrich en Basilea. En colaboración con sus colegas, Doshi y Benenson han desarrollado por primera vez una puerta OR -un elemento de conmutación molecular que emite una señal bioquímica de salida cuando mide una de dos o más señales bioquímicas de entrada- en células humanas.
Las anteriores puertas OR implementadas en las células biológicas eran bastante sencillas, como explica Benenson. Cuando, por ejemplo, una célula debía segregar una sustancia en respuesta a la señal X o a la señal Y, los científicos combinaban dos sistemas: uno que segregaba la sustancia en respuesta a la señal X y otro que liberaba la sustancia en respuesta a la señal Y. En cambio, la nueva puerta OR de los científicos de la ETH es una verdadera puerta OR, que comprende un único sistema. Como todos los sistemas biológicos, su diseño adopta la forma de una secuencia de ADN. En el caso de la nueva puerta, esta secuencia es significativamente más corta porque se trata de un solo sistema en lugar de dos separados.
Inspirado en la naturaleza
Para realizar la puerta OR, los investigadores de la ETH utilizaron la transcripción, el proceso celular en el que se lee la información de un gen y se almacena en forma de molécula de ARN mensajero. Este proceso lo inician una clase de moléculas conocidas como factores de transcripción, que se unen de forma específica a una "secuencia de activación" (promotor) de un gen. También hay genes con varias secuencias de activación de este tipo. Un ejemplo de ello es un gen llamado CIITA, que tiene cuatro secuencias de este tipo en los seres humanos.
Los investigadores de la ETH se inspiraron en este gen y desarrollaron construcciones sintéticas con un gen responsable de la producción de un colorante fluorescente y que tiene tres secuencias de activación. Hasta dos factores de transcripción y una o varias pequeñas moléculas de ARN se unen específicamente a cada una de estas secuencias y las controlan. La construcción genética produce el colorante cuando la transcripción se inicia a través de al menos una de las tres secuencias de activación, es decir, a través de la secuencia 1, la secuencia 2 o la secuencia 3. Los investigadores presentaron una solicitud de patente para este nuevo sistema.
Cerrar un ciclo
Como subraya Benenson, esta investigación cierra un bucle. Desde un punto de vista histórico, el procesamiento de la información se ha desarrollado en los seres vivos a lo largo de la evolución: los seres humanos y los animales son muy buenos para recibir información sensorial con sus cerebros, procesarla y responder en consecuencia. No fue hasta el siglo XIX cuando comenzó el desarrollo de los componentes electrónicos conmutables: primero con el relé; después con los tubos de vacío; y finalmente con los transistores, que permitieron la construcción de los ordenadores modernos.
En sus investigaciones, los bioingenieros de la ETH intentan devolver a los sistemas biológicos estos planteamientos matemáticos y de procesamiento electrónico de la información. "Por un lado, esto nos ayuda a comprender mejor la biología, por ejemplo, cómo se producen los procesos bioquímicos de toma de decisiones en las células. Por otro, podemos utilizar estos enfoques para desarrollar nuevas funciones biológicas", afirma Benenson. Los investigadores se benefician del hecho de que las células biológicas ofrecen condiciones ideales para ello.
Formas más complejas de diagnóstico y tratamiento
Se espera que este procesamiento de información celular se utilice principalmente en el diagnóstico y el tratamiento médico. "Los tratamientos médicos actuales suelen ser bastante sencillos: a menudo tratamos las enfermedades con un solo fármaco, sin tener en cuenta lo complejas que pueden ser la biología y las causas de las enfermedades", afirma Benenson. Esto contrasta con la forma en que un organismo se enfrenta a los cambios externos. Las reacciones del cuerpo ante el estrés, por ejemplo, pueden ser muy complejas.
"Nuestro enfoque de procesamiento de la información biomolecular promete utilizar redes genéticas artificiales que puedan identificar y procesar diferentes señales para desarrollar algún día sistemas de diagnóstico celular complejos y formas de tratamiento potencialmente más eficaces", afirma Benenson. Estas formas de tratamiento también identificarían cuándo se ha alcanzado un estado normal tras el éxito del tratamiento. Por ejemplo, un tratamiento ideal contra el cáncer combate las células tumorales mientras estén presentes en el organismo, pero no combate los tejidos sanos, porque hacerlo causaría daños.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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