Un complejo ordenador biológico da órdenes a las células vivas Los investigadores construyen el ordenador más complejo basado en el ARN en células bacterianas vivas

Los investigadores han desarrollado un ordenador biológico que funciona dentro de células bacterianas vivas y les dice lo que tienen que hacer, según un informe publicado hoy en Nature. Compuesto por ácido ribonucleico, o ARN, el nuevo «ribocomputador» puede sobrevivir en la bacteria E. coli y responder a una docena de entradas, lo que lo convierte en el ordenador biológico más complejo hasta la fecha.

«Hemos desarrollado una forma de controlar el comportamiento de las células», afirma Alexander Green, ingeniero del Instituto de Biodiseño de la Universidad Estatal de Arizona, que ha desarrollado la tecnología con sus colegas del Instituto Wyss de Ingeniería de Inspiración Biológica de Harvard. Las células se dedican a su actividad normal, replicándose y detectando lo que ocurre en su entorno, «pero también tienen esta capa de maquinaria computacional que les hemos ordenado sintetizar», dice.

El circuito biológico funciona como uno digital: Recibe una entrada y toma una decisión basada en la lógica, utilizando las operaciones AND, OR y NOT. Pero en lugar de que las entradas y salidas sean señales de voltaje, son la presencia o ausencia de sustancias químicas o proteínas específicas.

ADN

El proceso comienza con el diseño de una cadena de ADN que codifica toda la lógica que necesitará el sistema. Los investigadores insertan el ADN sintetizado en la bacteria E. coli como parte de un plásmido, un anillo de ADN que puede replicarse mientras flota en la célula.

El ADN sirve de plantilla para la maquinaria del ordenador biológico. La maquinaria molecular de la célula traduce el ADN en ARN, copiando esencialmente el código del ADN en una molécula diferente para su uso por la célula. El ARN se une al ribosoma de la célula y le ordena producir una proteína especificada en el código del ARN.

Aquí es donde el sistema se comporta como un ordenador, en lugar de como un organismo genéticamente diseñado: El ARN sólo hace su trabajo cuando recibe una entrada que lo activa. Esto se debe a que el ARN modificado contiene códigos no sólo para una proteína, sino también para funciones lógicas. Las partes lógicas deben recibir las entradas correctas para activar el ARN de forma que el ribosoma lo utilice para producir la salida del circuito, en este caso una proteína que brilla.

Esos interruptores «son una especie de equivalente a los primeros transistores», dice Green. «Son dispositivos que podemos construir en cosas más complejas». El equipo de Green logró organizar múltiples transistores biológicos, a los que llaman «interruptores de puntera». Juntos, los interruptores de puntera forman lo que los investigadores denominan «ARN de puerta», una especie de circuito lógico molecular.

Las entradas, en la demostración de Green, eran hebras de ARN añadidas a las células después de haber insertado el plásmido que contiene el código del «ARN de puerta». Estos ARN de entrada se emparejaban con los de los códigos del ARN de la puerta del ribocomputador. Una coincidencia entre el ARN de entrada y el ARN de puerta liberaba la cadena para que, cuando se encontrara con un ribosoma, pudiera indicar a la maquinaria celular que produjera la proteína de la fluorescencia. Era fácil ver cuando el sistema funcionaba: la E. coli se iluminaba.

En su diseño de ribocomputadora más complejo, incorporaron suficientes interruptores para generar un circuito de 12 entradas compuesto por 5 puertas AND, 5 OR y 2 NOT. Eso es muy difícil de hacer en una célula viva, dice Julius Lucks, ingeniero de ARN del Centro de Biología Sintética de la Universidad Northwestern, que no participó en el informe. «Hay un millón de maneras de fallar en este asunto», dice. En la célula, «todo está interactuando con todo lo demás y hay un millón de maneras en que esas interacciones podrían activar el interruptor por accidente».

El equipo de Green lo consiguió gracias a una combinación de algoritmos que predicen cómo se pliega una molécula de ARN, junto con un profundo conocimiento de las estructuras de ARN que podrían realizar los cálculos, dice Lucks. «Es el mayor número de entradas en un circuito que una célula ha sido capaz de procesar», añade Green. «Ser capaz de analizar esas señales y tomar una decisión es el gran avance», afirma.

Los trabajos anteriores que utilizaban ADN y proteínas para construir circuitos biológicos han tenido un éxito relativamente modesto. Los mejores circuitos sólo han funcionado en tubos de ensayo, en lugar de en células vivas que se replican, o no han sido capaces de procesar tanta información en un espacio tan compacto como el del ordenador de costillas. Por ejemplo, los investigadores de Microsoft han presentado esta semana un método de computación del ADN que utiliza una estructura de tipo origami. El diseño permitía una computación más rápida que otros circuitos de ADN de este tipo, pero no funcionaría dentro de una célula viva.

MIT

Christopher Voigt, del MIT, ha creado un software que automatiza el diseño de circuitos de ADN para células vivas, y el año pasado demostró sus capacidades. Pero esos diseños no podían manejar tantas entradas como la nueva tecnología de los ribocomputadores y requerían más ADN para codificar.

Green dice que espera que la computación basada en el ADN y el ARN se acelere ahora. «Llevamos como 70 años de retraso con respecto a la ingeniería eléctrica», afirma. (El primer transistor se inventó en 1947). «Una vez que tengamos la infraestructura para construir circuitos biológicos, es de esperar que tengamos un crecimiento similar», dice.

Green dice que prevé que los circuitos biológicos se utilicen en dispositivos de diagnóstico que detecten virus o en dispositivos celulares programados para descomponer las toxinas ambientales.

O incluso podrían utilizarse para prevenir la propagación de enfermedades. «Se podría cargar un circuito biológico en las células del cuerpo para protegerlas contra los virus o evitar que se desarrolle el cáncer», dice. «Es decir, el diagnóstico formaría parte de tus propias células». Si el cuerpo adquiere materiales cancerígenos o víricos, las células podrían programarse para apagar o sintetizar un fármaco o convocar al sistema inmunitario a la acción, en lugar de permitir la propagación de la enfermedad.