Un ordenador con células de doble núcleo biosintéticas

El control de la expresión génica a través de interruptores génicos basados en un modelo tomado del mundo digital ha sido durante mucho tiempo uno de los principales objetivos de la biología sintética. La técnica digital utiliza lo que se conoce como puertas lógicas para procesar las señales de entrada, creando circuitos en los que, por ejemplo, la señal de salida C sólo se produce cuando las señales de entrada A y B están presentes simultáneamente.

Hasta la fecha, los biotecnólogos han intentado construir esos circuitos digitales con la ayuda de interruptores de genes de proteínas en las células. Sin embargo, tenían algunas desventajas serias: no eran muy flexibles, sólo podían aceptar una programación simple y eran capaces de procesar una sola entrada a la vez, como por ejemplo una molécula metabólica específica. Por lo tanto, los procesos computacionales más complejos en las células sólo son posibles bajo ciertas condiciones, son poco fiables y fallan con frecuencia.

Incluso en el mundo digital, los circuitos dependen de una sola entrada en forma de electrones. Sin embargo, estos circuitos compensan esto con su velocidad, ejecutando hasta mil millones de comandos por segundo. Las células son más lentas en comparación, pero pueden procesar hasta 100.000 moléculas metabólicas diferentes por segundo como entrada. Y sin embargo, las computadoras celulares anteriores ni siquiera se acercaban a agotar la enorme capacidad computacional metabólica de una célula humana.

Una CPU de componentes biológicos

Un equipo de investigadores dirigido por Martin Fussenegger, profesor de Biotecnología y Bioingeniería en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Biosistemas de ETH Zurich en Basilea, ha encontrado ahora una forma de utilizar componentes biológicos para construir un procesador de núcleo flexible, o unidad central de procesamiento (CPU), que acepta diferentes tipos de programación. El procesador desarrollado por los científicos de la ETH se basa en un sistema CRISPR-Cas9 modificado y básicamente puede trabajar con tantas entradas como se desee en forma de moléculas de ARN (conocidas como ARN guía).

Una variante especial de la proteína Cas9 forma el núcleo del procesador. En respuesta a la información proporcionada por las secuencias de ARN guía, la CPU regula la expresión de un gen en particular, que a su vez produce una proteína en particular. Con este enfoque, los investigadores pueden programar circuitos escalables en células humanas, como los medios sumadores digitales, que consisten en dos entradas y dos salidas y pueden sumar dos números binarios de un solo dígito.

Potente procesamiento de datos multinúcleo

Los investigadores dieron un paso más allá: crearon un procesador biológico de doble núcleo, similar a los del mundo digital, integrando dos núcleos en una célula. Para ello, utilizaron componentes CRISPR-Cas9 de dos bacterias diferentes. Fussenegger estaba encantado con el resultado, diciendo: “Hemos creado el primer ordenador celular con más de un procesador de núcleo.”

Este ordenador biológico no sólo es extremadamente pequeño, sino que en teoría puede escalarse a cualquier tamaño imaginable. “Imagine un microtejido con miles de millones de células, cada una equipada con su propio procesador de doble núcleo. Tales’órganos computacionales’ podrían teóricamente alcanzar una potencia de computación que supera con creces a la de una supercomputadora digital, y usar sólo una fracción de la energía”, dice Fussenegger.

Aplicaciones en diagnóstico y tratamiento

Un ordenador celular puede ser utilizado para detectar señales biológicas en el cuerpo, como ciertos productos metabólicos o mensajeros químicos, procesarlos y responder a ellos en consecuencia. Con una CPU correctamente programada, las células pueden interpretar dos biomarcadores diferentes como señales de entrada. Si sólo está presente el biomarcador A, el biocomputador responde formando una molécula de diagnóstico o una sustancia farmacéutica. Si el biocomputador registra sólo el biomarcador B, entonces desencadena la producción de una sustancia diferente. Si ambos biomarcadores están presentes, eso induce una tercera reacción. Un sistema de este tipo podría tener aplicación en medicina, por ejemplo en el tratamiento del cáncer.

“También podríamos integrar la retroalimentación”, dice Fussenegger. Por ejemplo, si el biomarcador B permanece en el cuerpo durante un período de tiempo más largo a una concentración determinada, esto podría indicar que el cáncer está haciendo metástasis. La biocomputadora produciría entonces una sustancia química que se dirige a esos crecimientos para su tratamiento.

Procesadores multinúcleo posibles

“Esta computadora celular puede sonar como una idea muy revolucionaria, pero no es el caso”, enfatiza Fussenegger. Él continúa: “El cuerpo humano en sí mismo es una gran computadora. Su metabolismo se ha basado en el poder de computación de trillones de células desde tiempos inmemoriales”. Estas células reciben continuamente información del mundo exterior o de otras células, procesan las señales y responden en consecuencia, ya sea emitiendo mensajeros químicos o desencadenando procesos metabólicos. “Y en contraste con una supercomputadora técnica, esta gran computadora sólo necesita una rebanada de pan para obtener energía”, señala Fussenegger.

Su siguiente objetivo es integrar una estructura informática multinúcleo en una célula. “Esto tendría aún más potencia de computación que la actual estructura de doble núcleo”, dice.

Sé el primero en comentar

Dejar una contestacion