La computación basada en células se vuelve analógica
WIKIMEDIA, Mattosaurs/NIAIDLa creación de circuitos genéticos que responden a una variedad de entradas ha permitido a los investigadores crear calculadoras basadas en células que pueden realizar funciones matemáticas complicadas, en una nueva investigación publicada la semana pasada (mayo 15) en Naturaleza. Los científicos esperan que los circuitos basados en células, que responden a los cambios ambientales en un amplio rango, abran nuevas aplicaciones para estas computadoras celulares.
“Es’un avance conceptual en el campo” dijo James Collins, un biólogo sintético de la Universidad de Boston que no participó en la investigación. Los investigadores han «demostrado ahora que pueden desarrollar una amplia clase de circuitos para explotar la dinámica analógica dentro de las células vivas».
La mayoría de los esfuerzos para diseñar circuitos basados en genes sintéticos dentro de las células vivas se han centrado en estrategias digitales, como el uso de la presencia o ausencia de una sustancia química para inducir una decisión de destino celular binaria, como diferenciarse o no, por ejemplo. Pero crear un circuito que transforme…
Obligar a las células con propensiones analógicas a actuar digitalmente puede resultar en circuitos demasiado complejos, explicó Khalil. Los circuitos analógicos también podrían tener diferentes aplicaciones de los circuitos digitales, dijo el autor principal Timothy Lu, biólogo sintético del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT). Por ejemplo, se podría diseñar un circuito para maximizar la expresión de una proteína, digamos insulina, en bacterias, evitando niveles tóxicos. Un diseño digital solo podría activar o desactivar la producción de insulina. En cambio, un circuito analógico podría encontrar el punto de equilibrio a lo largo del rango de posibles niveles de expresión de insulina que maximiza la producción de insulina mientras mantiene felices a las células, explicó Lu.
So Lu y los colegas del MIT Ramiz Daniel, Jacob Rubens y Rahul Sarpeshkar se propusieron diseñar circuitos en Escherichia coli que pudieran realizar funciones basadas en una variedad de entradas, como el indicador de temperatura de un termostato. Específicamente, los circuitos eran sensibles a los niveles de azúcar arabinosa o acil homoserina lactona (AHL). La adición de cualquiera de estas dos moléculas activaba la expresión de un factor de transcripción que impulsaba la expresión de una proteína fluorescente, mCherry, en un segundo plásmido. El factor de transcripción también aumentó su propia expresión, creando un bucle de retroalimentación positiva.
Al aumentar el número de plásmidos mCherry en relación con los plásmidos que contienen factor de transcripción en las bacterias, los investigadores descubrieron que las células podían realizar logaritmos, transformando la concentración de arabinosa (variada hasta en 4 órdenes de magnitud) en un cambio lineal en la intensidad de la fluorescencia.
La combinación de circuitos sensibles a la arabinosa y AHL y la adición ocasional de un represor transcripcional permitió a los investigadores utilizar las células que realizan logaritmos para diseñar circuitos que podrían sumar, dividir y calcular leyes de potencia, reflejadas en la intensidad fluorescente. Por ejemplo, el circuito divisor calculó la proporción de dos entradas químicas arabinosa y AHL y produjo una salida fluorescente proporcional a la concentración de arabinosa dividida por la concentración de AHL.
Capaz de responder a una amplia gama de concentraciones de entrada, los circuitos analógicos ofrecen capacidades mejoradas de biodetección sobre el enfoque de encendido/apagado de las estrategias digitales, dijo Collins. La creación de circuitos similares en células eucariotas debería ser el siguiente paso para ampliar las posibles aplicaciones de tales circuitos, agregó.
Lu y sus colegas también están trabajando para simplificar aún más su estrategia. En este momento, los circuitos están codificados en dos plásmidos, pero los investigadores esperan condensarlos en uno solo.
Esta contribución es un tour de force técnico, dijo Khalil. Mucha gente en biología sintética todavía está jugando con células para construir circuitos lógicos. . . . [Esta investigación] ha ido mucho más allá de los retoques.
R. Daniel et al., Computación analógica sintética en células vivas, Nature, doi:10.1038/nature12148, 2013.
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