Biocircuitos sincronizados

Se ha dado un paso adelante en el desarrollo de circuitos celulares sincronizados, un logro que nos acerca a la creación de dispositivos biológicos con posibles aplicaciones médicas.

Un equipo de la Universidad de California en San Diego ha generado un biocircuito sintético complejo introduciendo a la vez dos tipos de osciladores en células de Escherichia coli. El primero es un oscilador intracelular de autorregulación negativa (AN), un módulo que opera a nivel de cada célula bacteriana. Produce la proteína represora lambda (púrpura), que inhibe la actividad del propio módulo, así como una proteína fluorescente cian (azul); ambas son degradadas por las enzimas proteasas ClpXP (verde). El segundo módulo, basado en la percepción de quórum (PQ), produce la proteína AiiA (verde claro) y una proteína fluorescente amarilla (amarillo); AiiA degrada las moléculas de PQ e inhibe su actividad mediante un mecanismo de autorregulación negativa. A su vez, ambas proteínas también son degradadas por las proteasas ClpXP. Cuando se introducen ambos módulos en la célula, estos compiten por las proteasas ClpXP y su dinámica se sincroniza (las ondas azules corresponden a los niveles de fluorescencia cian emitidos por el módulo AN y las amarillas a las oscilaciones del módulo PQ). [© Nature]

Uno de los grandes objetivos de la biología sintética es la construcción de redes, fiables y predecibles, de componentes moleculares y celulares que funcionen como dispositivos biológicos para detectar compuestos químicos, fabricar nuevos fármacos o incluso tratar ciertas patologías. Para conseguir tales objetivos, se necesita crear biocircuitos sintéticos complejos que requieren una sincronización de múltiples componentes. Aunque en el ámbito de la electrónica la sincronización está bien arraigada, en las células vivas sigue planteando un gran reto, ya que demanda la correlación de diferentes fenómenos que pueden tener lugar en diferentes escalas de espacio y tiempo. En fecha reciente, Arthur Prindle, de la Universidad de California en San Diego, y sus colaboradores han demostrado la viabilidad de una nueva estrategia para sincronizar los biocircuitos introducidos en bacterias Escherichia coli.

En los circuitos complejos, la sincronización sirve para equilibrar dos o más módulos que normalmente operarían en escalas de tiempo diferentes. En consecuencia, si dos componentes responden a distintas velocidades, la sincronización garantiza que el más rápido esperará a que el más lento finalice su labor antes de proseguir con la suya, lo que hará que el sistema actúe como una sola entidad. En los circuitos eléctricos, la sincronización se consigue mediante una señal de reloj (clock signal) externa. A modo de ejemplo, si consideramos un oscilador, cuando la señal está en su nivel alto (o bajo), el dispositivo deja de oscilar hasta que esta adquiere su nivel bajo (o alto). Cuando tal idea se aplica a un sistema con múltiples componentes, la señal de reloj puede regular diferentes dispositivos independientes a fin de que trabajen al unísono.

Por desgracia, esta metodología, que se halla estandarizada en la electrónica, no puede trasladarse directamente a los biocircuitos sintéticos. Ello se debe a la inexistencia de una señal precisa que afecte por igual a todos los módulos del dispositivo sintético. El origen de esta dificultad reside en la alta variabilidad que los sistemas biológicos presentan en su respuesta ante un mismo estímulo externo. Como solución al problema, Prindle y sus colaboradores han desarrollado una nueva estrategia para la sincronización rápida y eficiente de dispositivos osciladores en E.coli. La novedad consiste en que no se ha recurrido a una señal de reloj externa; en su lugar, se aprovecha como mecanismo de sincronización la propia maquinaria de las células en las que se han introducido los dispositivos sintéticos.

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