James Joseph Collins (nacido el 26 de junio de 1965) es un ingeniero biomédico y bioingeniero estadounidense que se desempeña como profesor Termeer de ingeniería y ciencia médica en el Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT), donde también es director del MIT Abdul Latif Jameel. Clínica de Aprendizaje Automático en Salud .
Collins realizó una investigación que demuestra que los enfoques de inteligencia artificial (IA) se pueden utilizar para descubrir nuevos antibióticos, como la halicina y la abaucina . [1] Se desempeña como Director del Proyecto Antibióticos-IA en el MIT, que cuenta con el apoyo de The Audacious Project , y es miembro del Programa Harvard-MIT en Ciencias y Tecnología de la Salud . También es miembro principal del cuerpo docente del Instituto Wyss de Ingeniería de Inspiración Biológica de la Universidad de Harvard y miembro del Instituto Broad . [2]
Collins es uno de los fundadores del campo de la biología sintética , y su trabajo sobre circuitos de genes sintéticos y células programables ha llevado al desarrollo de nuevas clases de diagnóstico y terapéutica, que han influido en la investigación para detectar y tratar infecciones causadas por patógenos emergentes como como el Ébola, el Zika, el SARS-CoV-2 y las bacterias resistentes a los antibióticos. También es investigador en biología de sistemas y ha realizado descubrimientos sobre las acciones de los antibióticos y la aparición de resistencia a los antibióticos . [3]
Collins es miembro de la Academia Nacional de Ingeniería , la Academia Nacional de Medicina y la Academia Nacional de Ciencias por sus contribuciones a la biología sintética y las redes genéticas diseñadas. En 2023, recibió una Citación Clarivate por la investigación con mayor probabilidad de recibir el Premio Nobel .
Collins nació el 26 de junio de 1965 en el Bronx y luego se mudó a Bellerose, Nueva York . [4] Su padre era un ingeniero de aviación que trabajó en proyectos para la NASA y el ejército. [5] A los 10 años, Collins se mudó a New Hampshire con su familia después de terminar la escuela primaria, [6] creciendo en Nashua . [7] Primero desarrolló un interés en la ingeniería médica cuando uno de sus abuelos quedó ciego y el otro sufrió múltiples derrames cerebrales . [5]
Collins originalmente tenía la intención de estudiar ingeniería eléctrica como estudiante universitario y fue aceptado en el Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) y el Instituto Politécnico Rensselaer (RPI). En cambio, decidió asistir al Colegio de la Santa Cruz , encontrando que el ambiente en el colegio era más amigable. Collins recordó más tarde: "Me enamoré del lugar. Quería trabajar duro y obtener una educación sólida, pero también quería disfrutar. Quería obtener una experiencia amplia y sentí que podía conseguirla en Holy Cross". ". [3]
En Holy Cross, Collins era oficial de clase y miembro de los equipos de atletismo y campo traviesa , donde corrió 4:17 millas. [8] También escribió para el periódico de la escuela y enseñó como parte de la Cofradía de la Doctrina Cristiana (CCD). Como estudiante universitario, recibió el Premio del Presidente al Servicio Voluntario y fue designado Fenwick Scholar en 1986, uno de los más altos honores de la universidad. [9] Collins se graduó de Holy Cross en 1987 como el mejor estudiante de su clase y recibió una Licenciatura en Física, summa cum laude . [3] Su tesis de pregrado se tituló "Estimulación neuromuscular funcional: un análisis de los fundamentos biomecánicos y neuromusculares de la marcha". [10]
Después de graduarse, Collins recibió una beca Rhodes para estudiar ingeniería médica en Balliol College, Oxford , donde obtuvo un Doctorado en Filosofía (D.Phil.) en 1990. [11] Su tesis se tituló "Mecánica de las articulaciones: modelado de la parte inferior Limb" y fue supervisado por John J. O'Connor. [12]
Collins regresó a los Estados Unidos para unirse a la facultad de la Universidad de Boston . Allí, estableció un laboratorio y se convirtió en profesor distinguido William F. Warren de la universidad, profesor universitario , profesor de ingeniería biomédica, profesor de medicina y codirector del Centro de BioDinámica y director del Centro de Biología Sintética. En 2008, Collins fue nombrado investigador del Instituto Médico Howard Hughes , convirtiéndose en el primer investigador de la Universidad de Boston. [7]
En 2014, Collins pasó a ser profesor en el Instituto de Tecnología de Massachusetts. [13] Actualmente, Collins es profesor Termeer de ingeniería y ciencia médica y profesor de ingeniería biológica en el MIT . Collins también es miembro fundador del cuerpo docente del Instituto Wyss de Ingeniería de Inspiración Biológica de la Universidad de Harvard y miembro del Instituto Broad . Collins también es líder del profesorado de ciencias biológicas en la Clínica Jameel del MIT desde 2018. [14] [15]
Collins ha estado involucrado con varias empresas de nueva creación y sus inventos y tecnologías han obtenido licencias de más de 25 empresas de biotecnología y dispositivos médicos. Collins es cofundador científico de varias empresas de biotecnología y organizaciones sin fines de lucro.
En 2010, Collins fue designado por el presidente Barack Obama para ser miembro de la Comisión Presidencial para el Estudio de Cuestiones Bioéticas . [dieciséis]
El trabajo de Collins sobre circuitos de genes sintéticos lanzó el campo de la biología sintética . [17] Fue el primero (junto con Michael Elowitz y Stanislas Leibler ) en demostrar que se pueden aprovechar las propiedades biofísicas de los ácidos nucleicos y las proteínas para crear circuitos biológicos, que pueden usarse para reconectar y reprogramar células vivas.
En un artículo publicado en Nature , [18] Collins diseñó y construyó un interruptor genético (una red reguladora de genes sintética y biestable) en E. coli. El interruptor de palanca forma una unidad de memoria celular sintética y direccionable con amplias implicaciones para la biofísica, la biomedicina y la biotecnología. En el mismo número de Nature, Elowitz y Leibler demostraron que se puede construir un oscilador genético sintético (llamado represilador) en E. coli. [19] El artículo de Nature de Collins sobre el interruptor de palanca genético [18] y el artículo de Nature de Elowitz y Leibler [19] sobre el represilador se consideran piezas históricas, que marcan los inicios de la biología sintética. [17]
Sobre la base de este trabajo, Collins demostró que las redes de genes sintéticos pueden usarse como módulos reguladores e interconectarse con los circuitos genéticos de un microbio para crear células programables para una variedad de aplicaciones, [20] por ejemplo, probióticos sintéticos para servir como diagnósticos vivos y terapias vivas para detectar , tratar y prevenir infecciones como el cólera y C. difficile. [21] [22] También diseñó y construyó riboreguladores (interruptores de ARN) para detección y control, [23] [24] [25] [26] [27] [28] interruptores de eliminación microbiana y contadores genéticos para biocontención, [ 29] [30] [31] bacteriófagos sintéticos para combatir infecciones bacterianas resistentes, [32] [33] paneles de control genéticos para ingeniería metabólica, [34] e interruptores genéticos sintonizables para terapia genética y celular. [35] [36] [37] Recientemente, Collins desarrolló circuitos genéticos sintéticos libres de células y liofilizados, una plataforma innovadora que forma la base para pruebas de diagnóstico económicas en papel para patógenos emergentes (p. ej., Zika, Ébola, SARS -CoV-2, bacterias resistentes a los antibióticos), [38] [39] [40] [41] biosensores portátiles, [42] y fabricación biomolecular portátil (por ejemplo, para producir antígenos de vacunas) en el mundo en desarrollo. [43]
En el contexto de la biología sintética y la medicina regenerativa, Collins colaboró con Derrick Rossi y George Q. Daley en un estudio que utiliza tecnología de ARNm sintético para aplicaciones biomédicas. El equipo demostró que el ARNm sintético podría utilizarse para una reprogramación y rediferenciación de células madre altamente eficiente. Este trabajo se publicó en Cell Stem Cell en 2010, [44] y Rossi utilizó esta plataforma tecnológica de biología sintética para fundar Moderna . [45]
Collins también ha utilizado enfoques de biología sintética (computacional y experimental) para identificar y abordar cuestiones importantes de física biológica relacionadas con la regulación de la expresión genética y la dinámica celular. Collins, por ejemplo, ha utilizado redes de genes sintéticos para estudiar los efectos de la retroalimentación positiva en módulos genéticos, [46] [47] el papel y el origen de las fluctuaciones estocásticas en la expresión de genes eucariotas, [48] y las consecuencias fenotípicas del ruido de la expresión genética. y sus efectos sobre el destino celular y las estrategias de supervivencia microbiana en entornos estresantes. [49] Es importante destacar que Collins también ha demostrado cómo los circuitos de genes sintéticos se pueden utilizar para probar, validar y mejorar modelos cualitativos y cuantitativos de regulación genética, [50] y ha demostrado que la teoría biofísica y la experimentación pueden combinarse en enfoques ascendentes para obtener beneficios. conocimientos biológicos sobre los intrincados procesos de regulación genética. [51]
Collins también es uno de los investigadores líderes en biología de sistemas mediante el uso de técnicas biofísicas computacionales experimentales para realizar ingeniería inversa y analizar redes reguladoras de genes endógenos. [52] Collins y sus colaboradores demostraron que las redes genéticas de ingeniería inversa se pueden utilizar para identificar objetivos farmacológicos, mediadores biológicos y biomarcadores de enfermedades. [53]
Collins y sus colaboradores descubrieron, utilizando enfoques de biología de sistemas, que todas las clases de antibióticos bactericidas inducen una vía común de muerte celular por daño oxidativo. [54] Este hallazgo indica que apuntar a los sistemas bacterianos que remedian el daño oxidativo, incluida la respuesta SOS al daño del ADN, es un medio viable para mejorar la eficacia de todas las clases principales de antibióticos y limitar la aparición de resistencia a los antibióticos. Este trabajo estableció una relación mecanicista entre el metabolismo bacteriano y la eficacia de los antibióticos, que fue desarrollada y validada por Collins y su equipo en una serie de estudios de seguimiento. [55]
Collins demostró que ciertos metabolitos podrían usarse para permitir que los antibióticos bactericidas erradiquen infecciones persistentes y tolerantes. [56] Además, Collins y sus colaboradores descubrieron que los niveles subletales de antibióticos activan la mutagénesis al estimular la producción de especies reactivas de oxígeno, lo que conduce a la resistencia a múltiples fármacos. [57] Collins y sus colegas, utilizando sus enfoques sistémicos, también descubrieron un mecanismo de resistencia basado en la población que constituye una forma de selección de parentesco mediante la cual un pequeño número de mutantes bacterianos resistentes, ante el estrés de los antibióticos, pueden, con algún costo para ellos mismos, Proporcionar protección a otras células más vulnerables, mejorando la capacidad de supervivencia de la población en general en entornos estresantes. [58]
En 2020, Collins formó parte del equipo, junto con la profesora Regina Barzilay, líder de la facultad de MIT Jameel Clinic , que anunció el descubrimiento mediante el aprendizaje profundo de la halicina , el primer compuesto antibiótico nuevo en 30 años, que mata más de 35 bacterias poderosas , incluidas las antimicrobianas. tuberculosis resistente , la superbacteria C. difficile y dos de las tres bacterias más mortíferas de la Organización Mundial de la Salud . [59] En 2020, Collins, Barzilay y la Clínica Jameel del MIT también recibieron financiación a través de The Audacious Project para crear el Proyecto Antibióticos-AI y ampliar el descubrimiento de la halicina en el uso de la IA para responder a la crisis de resistencia a los antibióticos mediante el desarrollo de nuevas clases de antibióticos. [60]
Collins también fue pionero en el desarrollo y uso de enfoques dinámicos no lineales para estudiar, imitar y mejorar la función biológica, [61] ampliando nuestra capacidad para comprender y aprovechar la física de los sistemas vivos. Collins, por ejemplo, propuso que el ruido de entrada podría utilizarse para mejorar la función sensorial y el control motor en humanos. [62] [63] Él y sus colaboradores demostraron que la sensación táctil y el control del equilibrio en adultos jóvenes y mayores, pacientes con accidente cerebrovascular y pacientes con neuropatía diabética podrían mejorarse con la aplicación de ruido mecánico subsensorial, [64] por ejemplo, a través de plantillas vibratorias. [65] Este trabajo ha llevado a la creación de una nueva clase de dispositivos médicos para abordar las complicaciones resultantes de la neuropatía diabética, restaurar la función cerebral después de un accidente cerebrovascular y mejorar el equilibrio de las personas mayores.
Los logros científicos de Collins han sido reconocidos con numerosos premios, incluido el Premio Dickson de Medicina , el Premio Sanofi-Institut Pasteur, el Premio HFSP Nakasone , el Premio Max Delbruck , el Premio Gabbay , el Premio Pionero del Director de los NIH, el Premio Senior de la Fundación Médica Ellison Scholar Award in Aging, el premio inaugural Anthony J. Drexel Exceptional Achievement Award, el premio Lagrange de la Fundación CRT en Italia, el premio BMES Robert A. Pritzker, el premio Promega Biotechnology Research y ser seleccionado para el TR100 100 inaugural de Technology Review jóvenes innovadores que darán forma al futuro de la tecnología [66] – y Scientific American 50 – los 50 líderes más destacados en ciencia y tecnología. [67]
Collins es miembro de la Sociedad Estadounidense de Física , el Instituto de Física y el Instituto Estadounidense de Ingeniería Médica y Biológica. En 2003, recibió el " Genius Award " de la Fundación MacArthur , [68] convirtiéndose en el primer bioingeniero en recibir este honor. [69] La cita del premio de Collins señaló: "A lo largo de su investigación, Collins demuestra una propensión a identificar principios abstractos que subyacen a fenómenos biológicos complejos y a utilizar estos conceptos para resolver problemas prácticos concretos". También fue honrado como All-Star Médico por los Medias Rojas de Boston y realizó el primer lanzamiento en un juego de los Medias Rojas en Fenway Park. En 2016, Collins fue nombrado Investigador Distinguido de Allen por Paul G. Allen Frontiers Group. [70] Collins es miembro electo de las tres academias nacionales de EE. UU.: la Academia Nacional de Ciencias , la Academia Nacional de Ingeniería y la Academia Nacional de Medicina . También es miembro electo de la Academia Estadounidense de Artes y Ciencias , así como miembro fundador de la Academia Nacional de Inventores .
Collins ha recibido premios de enseñanza en la Universidad de Boston, incluido el Premio al Profesor del Año en Ingeniería Biomédica, el Premio al Profesor del Año de la Facultad de Ingeniería y la Copa Metcalf y el Premio a la Excelencia en la Enseñanza, que es el más alto honor docente otorgado por la Universidad de Boston. . [71]
En 2023, Collins fue nombrado Clarivate Citation Laureate junto con Michael Elowitz y Stanislas Leibler "por su trabajo pionero en circuitos de genes sintéticos, que lanzó el campo de la biología sintética". [72]
La esposa de Collins es Mary McNaughton Collins; se conocieron cuando estudiaban en Holy Cross y se casaron en 1990. Ella es profesora en la Facultad de Medicina de Harvard y médica en el Hospital General de Massachusetts . [3] Tienen dos hijos: Katie, una becaria Marshall de la Universidad de Cambridge , y Danny, una becaria Rachel Carson de la Universidad de Duke . [73] [74]
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