En el instituto y la universidad, Timothy Lu pasó mucho tiempo programando ordenadores. Pero cuando se acercaba su graduación universitaria, dirigió su atención hacia la programación de sistemas biológicos. El campo de la biología sintética estaba empezando a surgir y él quería formar parte de él.
Desde entonces, Lu ha dedicado su carrera a idear nuevas formas de diseñar células, tanto bacterianas como humanas, para que realicen nuevas funciones. Con este enfoque, espera desarrollar nuevas terapias para una serie de enfermedades, desde el cáncer hasta las infecciones resistentes a los medicamentos.
Para lograr este objetivo hay que superar muchos más retos que la programación de chips informáticos, dice, porque las células vivas se comportan de forma más imprevisible y el lenguaje de programación subyacente no se conoce en profundidad.
«La ventaja de la industria de los semiconductores es que pudieron construir unidades individuales, unirlas y escalarlas de forma muy eficiente. No estaban introduciendo cosas en un sistema existente que ya era desordenado y del que no se conocía el diagrama de cableado», dice Lu, que recientemente obtuvo la titularidad en el Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática del MIT. «En cambio, nosotros estamos tratando de averiguar simultáneamente cómo ensamblar los circuitos genéticos y también meterlos en este gigantesco batiburrillo de lo que la célula hace normalmente. Ése es el reto fundamental».
Retos fundamentales
El temprano interés de Lu por la programación informática fue inspirado por su padre, que trabajaba como ingeniero eléctrico en IBM.
«Mi padre trajo a casa algunos de los primeros ordenadores personales que estaban construyendo en IBM, y yo pasé mucho tiempo programando ordenadores y haciéndolos hacer cosas muy simples», recuerda Lu.
Cuando Lu tenía 10 años, su familia se trasladó del norte del estado de Nueva York a Taiwán, donde sus padres habían crecido. Volvió a Estados Unidos para asistir al MIT, donde se especializó en ingeniería eléctrica e informática. Cuando se graduó en 2003, Lu se dio cuenta de que le gustaba la programación, pero quería aplicar ese interés a tecnologías incipientes con retos fundamentales aún por resolver.
Pronto le intrigó la idea de programar sistemas biológicos. Muchos investigadores del área de Boston estaban empezando a trabajar en este campo, conocido como biología sintética. Lu decidió inscribirse en el Programa de Ciencias de la Salud y Tecnología (HST) de Harvard-MIT, y se las arregló para hacer su investigación de doctorado en un laboratorio de la Universidad de Boston dirigido por el pionero de la biología sintética James Collins (que ahora es miembro de la facultad del MIT).
En el marco de sus estudios de HST, Lu vio a muchos pacientes con infecciones resistentes a los antibióticos y se interesó por intentar desarrollar nuevos tratamientos para dichas infecciones. En el laboratorio de Collins, Lu trabajó en la ingeniería de virus que infectan bacterias, también conocidos como bacteriófagos. Diseñó estos bacteriófagos para que produjeran enzimas que ayudaran a masticar las biopelículas (capas de bacterias que se adhieren a las superficies), y en 2008 ganó el premio Lemelson-MIT Student Prize por este trabajo. En un proyecto relacionado, diseñó bacterias para que expresaran factores que las hicieran más susceptibles a los antibióticos existentes.
Después de terminar su doctorado, y también un doctorado, Lu sopesó varias opciones profesionales, como ejercer la medicina o trabajar en una empresa nueva basada en su investigación, pero acabó solicitando un puesto de profesor en el Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática del MIT, que buscaba a alguien interesado en programar circuitos biológicos. El MIT había contratado recientemente a un par de destacados biólogos sintéticos para poner en marcha el nuevo Centro de Biología Sintética del Instituto, y Lu estaba ansioso por participar.
«En ese momento, el MIT estaba tratando de crear su equipo de biología sintética. Sabía que si me unía sería el miembro más joven pero formaría parte de algo que iba a crecer rápidamente, así que fue emocionante para mí», dice Lu, que más tarde recibió un nombramiento conjunto en el Departamento de Ingeniería Biológica del MIT.
Circuitos que combaten enfermedades
Gran parte de la investigación de Lu se centra en el diseño de circuitos genéticos capaces de realizar cálculos en las células vivas, como el recuento de eventos o el seguimiento de si se ha producido un evento específico y la posterior provocación de la respuesta adecuada.
«Mi mayor interés personal son las aplicaciones clínicas de la biología sintética», dice Lu. «¿Se puede programar a las células o a los virus para que perciban y respondan a su entorno, de modo que se pueda intentar detectar la presencia de una enfermedad y tratarla con eficacia y seguridad?»
En un estudio reciente, Lu y sus colegas desarrollaron un circuito genético sintético que activa el sistema inmunitario del organismo para atacar los cánceres cuando detecta signos de la enfermedad. También están trabajando en el diseño de más elementos de control que les ayuden a encender y apagar esos circuitos, y en el desarrollo de formas de ayudar a los circuitos a cambiar su rendimiento en respuesta a diferentes biomarcadores de la enfermedad.
El laboratorio de Lu también sigue buscando nuevos tratamientos antimicrobianos, incluidos los bacteriófagos diseñados y los nuevos tipos de péptidos antimicrobianos. Modificando estas proteínas naturales, Lu espera hacerlas más eficientes en la eliminación de microbios y, potencialmente, desarrollarlas para su uso contra la infección en humanos.
Este tipo de investigación es cada vez más importante, afirma Lu, ya que cada vez hay más cepas de bacterias resistentes a los fármacos existentes.
«Cuando empezamos, a principios de la década de 2000, la gente no se preocupaba tanto por la resistencia a los antibióticos. La mayoría de los antibióticos seguían funcionando y la gente no pensaba que fuera un gran problema», dice. «Pero con el paso del tiempo, la resistencia ha seguido creciendo y la reserva de antibióticos se ha ido secando. Así que seguimos creyendo firmemente que necesitamos nuevas estrategias. Los días en los que simplemente se iba a escarbar en la tierra y se encontraban fácilmente nuevos antibióticos con actividad de amplio espectro han pasado.»
