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James J. Collins

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 Médica y Ciencia en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), donde también es director de la Clínica Abdul Latif Jameel del MIT para Aprendizaje Automático en Salud .

Collins realizó una investigación que demostró 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 de la Salud y Tecnología . También es miembro principal del cuerpo docente del Instituto Wyss de Ingeniería Inspirada en la Biología 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 genéticos sintéticos y células programables ha llevado al desarrollo de nuevas clases de diagnósticos y terapias, que han influido en la investigación en la detección y el tratamiento de infecciones causadas por patógenos emergentes como el ébola, el zika, el SARS-CoV-2 y las bacterias resistentes a los antibióticos. También es investigador en biología de sistemas , habiendo realizado descubrimientos sobre las acciones de los antibióticos y la aparición de la 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 mención de Clarivate por la investigación con más probabilidades de recibir un premio Nobel .

Vida temprana y educación

Collins nació el 26 de junio de 1965 en El Bronx , 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] Desarrolló por primera vez un interés en la ingeniería médica cuando uno de sus abuelos se quedó ciego y el otro sufrió múltiples accidentes cerebrovasculares . [5]

Collins originalmente tenía la intención de estudiar ingeniería eléctrica como estudiante de grado y fue aceptado en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) y el Instituto Politécnico Rensselaer (RPI), pero decidió en cambio asistir al College of the Holy Cross , ya que encontró el ambiente en la universidad 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 amplia experiencia y sentí que podía obtenerla en Holy Cross". [3]

En Holy Cross, Collins fue oficial de clase y miembro de los equipos de atletismo y cross country , donde corrió la milla en 4:17. [8] También escribió para el periódico de la escuela y enseñó como parte de la Confraternidad de Doctrina Cristiana (CCD). Como estudiante de pregrado, había sido galardonado con un Premio al Servicio Voluntario del Presidente y fue designado como Becario Fenwick en 1986, uno de los más altos honores de la universidad. [9] Collins se graduó de Holy Cross en 1987 como el mejor alumno de la clase , recibiendo una Licenciatura en Artes (BA) 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 en Holy Cross, Collins fue uno de los cuatro estudiantes de Nueva Inglaterra seleccionados para una beca Rhodes , que utilizó para estudiar ingeniería médica en Inglaterra en la Universidad de Oxford . [11] En Oxford, fue miembro del Balliol College y obtuvo un Doctorado en Filosofía (DPhil) en 1990, especializándose en ingeniería médica y mecánica. [12] Su disertación se tituló "Mecánica de las articulaciones: modelado de las extremidades inferiores" y fue supervisada por John J. O'Connor. [13]

Carrera

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 Tecnológico de Massachusetts. [14] Actualmente, Collins es profesor Termeer de Ingeniería y Ciencia Médica y profesor de Ingeniería Biológica en el MIT . Collins también es miembro fundador del Instituto Wyss de Ingeniería Inspirada en la Biología en la Universidad de Harvard y miembro del Instituto Broad . Collins también es profesor principal de ciencias biológicas en la Clínica Jameel del MIT desde 2018. [15] [16]

Collins ha estado involucrado en varias empresas emergentes y sus inventos y tecnologías han sido licenciados por más de 25 empresas de biotecnología y dispositivos médicos. Collins es el cofundador científico de varias empresas de biotecnología y organizaciones sin fines de lucro.

En 2010, Collins fue designado por el presidente Barack Obama como miembro de la Comisión Presidencial para el Estudio de Cuestiones Bioéticas . [17]

Trabajar

Biología sintética

El trabajo de Collins sobre circuitos genéticos sintéticos lanzó el campo de la biología sintética . [18] 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 se pueden usar para recablear y reprogramar células vivas.

En un artículo publicado en Nature , [19] Collins diseñó y construyó un interruptor genético (una red reguladora de genes biestable y sintética) en E. coli. El interruptor forma una unidad de memoria celular direccionable y sintética 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 represor) en E. coli. [20] El artículo de Collins en Nature sobre el interruptor genético [19] y el artículo de Elowitz y Leibler en Nature [20] sobre el represor se consideran piezas fundamentales, que marcan el comienzo de la biología sintética. [18]

Basándose en este trabajo, Collins demostró que las redes de genes sintéticos se pueden utilizar como módulos reguladores e interconectarse con los circuitos genéticos de un microbio para crear células programables para una variedad de aplicaciones, [21] por ejemplo, probióticos sintéticos para servir como diagnósticos vivos y terapias vivas para detectar, tratar y prevenir infecciones como el cólera y C. difficile. [22] [23] También diseñó y construyó riboreguladores diseñados (interruptores de ARN) para detección y control, [24] [25] [26 ] [ 27] [28] [29] interruptores de eliminación microbiana y contadores genéticos para biocontención, [30] [31] [32] bacteriófagos sintéticos para combatir infecciones bacterianas resistentes, [33] [34] conmutadores genéticos para ingeniería metabólica, [35] e interruptores genéticos ajustables para terapia génica y celular. [36] [37] [38] Recientemente, Collins desarrolló circuitos genéticos sintéticos libres de células y liofilizados, una plataforma innovadora que constituye la base para pruebas de diagnóstico económicas y basadas en papel para patógenos emergentes (por ejemplo, Zika, Ébola, SARS-CoV-2, bacterias resistentes a los antibióticos), [39] [40] [41] [42] biosensores portátiles, [43] y fabricación biomolecular portátil (por ejemplo, para producir antígenos de vacunas) en el mundo en desarrollo. [44]

En el contexto de la biología sintética y la medicina regenerativa, Collins colaboró ​​con Derrick Rossi y George Q. Daley en un estudio que utilizaba tecnología de ARNm sintético para aplicaciones biomédicas. El equipo demostró que el ARNm sintético podía utilizarse para una reprogramación y rediferenciación de células madre altamente eficiente. Este trabajo se publicó en Cell Stem Cell en 2010, [45] y Rossi utilizó esta plataforma de tecnología de biología sintética para fundar Moderna . [46]

Collins también ha utilizado enfoques de biología sintética (computacionales y experimentales) para identificar y abordar cuestiones de física biológica significativas relacionadas con la regulación de la expresión génica y la dinámica celular. Collins, por ejemplo, ha utilizado redes de genes sintéticos para estudiar los efectos de la retroalimentación positiva en módulos genéticos, [47] [48] el papel y el origen de las fluctuaciones estocásticas en la expresión génica eucariota, [49] y las consecuencias fenotípicas del ruido de expresión génica y sus efectos en el destino celular y las estrategias de supervivencia microbiana en entornos estresantes. [50] Es importante destacar que Collins también ha demostrado cómo se pueden utilizar los circuitos de genes sintéticos para probar, validar y mejorar los modelos cualitativos y cuantitativos de regulación génica, [51] y ha demostrado que la teoría biofísica y la experimentación se pueden acoplar en enfoques de abajo hacia arriba para obtener conocimientos biológicos sobre los intrincados procesos de regulación génica. [52]

Antibióticos y resistencia a los antibióticos

Collins es también uno de los principales investigadores en biología de sistemas mediante el uso de técnicas biofísicas experimentales-computacionales para realizar ingeniería inversa y analizar redes reguladoras de genes endógenos. [53] Collins y sus colaboradores demostraron que las redes de genes diseñadas a la inversa se pueden utilizar para identificar objetivos farmacológicos, mediadores biológicos y biomarcadores de enfermedades. [54]

Collins y sus colaboradores descubrieron, utilizando métodos de biología de sistemas, que todas las clases de antibióticos bactericidas inducen una vía común de muerte celular por daño oxidativo. [55] Este hallazgo indica que dirigirse 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 posteriormente por Collins y su equipo en una serie de estudios de seguimiento. [56]

Collins demostró que ciertos metabolitos podrían utilizarse para permitir que los antibióticos bactericidas erradiquen infecciones persistentes y tolerantes. [57] 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. [58] Collins y sus colegas, utilizando sus enfoques de sistemas, también descubrieron un mecanismo de resistencia basado en la población que constituye una forma de selección de parentesco por el cual un pequeño número de mutantes bacterianos resistentes, frente al estrés antibiótico, pueden, a cierto costo para ellos mismos, brindar protección a otras células más vulnerables, mejorando la capacidad de supervivencia de la población general en entornos estresantes. [59]

En 2020, Collins formó parte del equipo (junto con su colega y profesora principal de la Clínica Jameel del MIT, la profesora Regina Barzilay ) que anunció el descubrimiento a través del aprendizaje profundo de la halicina , el primer compuesto antibiótico nuevo en 30 años, que mata más de 35 bacterias potentes , incluidas la tuberculosis resistente a los antimicrobianos , la superbacteria C. difficile y dos de las tres bacterias más mortales de la Organización Mundial de la Salud . [60] En 2020, Collins, Barzilay y la Clínica Jameel del MIT también recibieron financiación a través de The Audacious Project para crear el Proyecto Antibióticos-IA 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. [61]

Dinámica no lineal en sistemas biológicos

Collins también fue pionero en el desarrollo y uso de enfoques dinámicos no lineales para estudiar, imitar y mejorar la función biológica, [62] ampliando nuestra capacidad de comprender y aprovechar la física de los sistemas vivos. Collins, por ejemplo, propuso que el ruido de entrada podría usarse para mejorar la función sensorial y el control motor en humanos. [63] [64] 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, [65] por ejemplo, a través de plantillas vibratorias. [66] 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 los ancianos.

Premios

Los logros científicos de Collins han sido reconocidos con numerosos premios, entre ellos el Premio Dickson en Medicina , el Premio Sanofi-Institut Pasteur, el Premio HFSP Nakasone , el Premio Max Delbruck , el Premio Gabbay , el Premio Pionero del Director del NIH, el Premio Académico Senior en Envejecimiento de la Fundación Médica Ellison, el Premio inaugural al Logro Excepcional Anthony J. Drexel, el Premio Lagrange de la Fundación CRT en Italia, el Premio BMES Robert A. Pritzker, el Premio de Investigación Biotecnológica Promega y haber sido seleccionado para el TR100 inaugural de Technology Review, 100 jóvenes innovadores que darán forma al futuro de la tecnología [67] , y el Scientific American 50, los 50 líderes más destacados en ciencia y tecnología. [68]

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 un " Premio Genius " de la Fundación MacArthur , [69] convirtiéndose en el primer bioingeniero en recibir este honor. [70] La cita del premio de Collins señaló: "A lo largo de su investigación, Collins demuestra una proclividad a identificar principios abstractos que subyacen a fenómenos biológicos complejos y a usar estos conceptos para resolver problemas concretos y prácticos". También fue honrado como un All-Star médico por los Boston Red Sox, y lanzó el primer lanzamiento en un juego de los Red Sox en Fenway Park. En 2016, Collins fue nombrado Investigador Distinguido Allen por el Paul G. Allen Frontiers Group. [71] 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 docencia en la Universidad de Boston, incluido el Premio al Profesor de Ingeniería Biomédica del Año, 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 máximo honor docente otorgado por la Universidad de Boston. [72]

En 2023, Collins fue nombrado Laureado con el premio Clarivate junto con Michael Elowitz y Stanislas Leibler "por su trabajo pionero en circuitos genéticos sintéticos, que lanzó el campo de la biología sintética". [73]

Vida personal

La esposa de Collins es Mary McNaughton Collins; se conocieron mientras eran estudiantes 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, becaria Marshall en la Universidad de Cambridge , y Danny, becario Knight-Hennessy en la Universidad de Stanford . [74] [75]

Referencias

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Referencias adicionales

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