Los circuitos biológicos sintéticos son una aplicación de la biología sintética en la que las partes biológicas dentro de una célula están diseñadas para realizar funciones lógicas que imitan las observadas en los circuitos electrónicos . Por lo general, estos circuitos se clasifican como circuitos genéticos , circuitos de ARN o circuitos de proteínas , según los tipos de biomoléculas que interactúan para crear el comportamiento del circuito. Las aplicaciones de los tres tipos de circuitos varían desde simplemente inducir la producción hasta agregar un elemento medible, como la proteína fluorescente verde , a un circuito biológico natural existente , o implementar sistemas completamente nuevos de muchas partes. [1]
El objetivo de la biología sintética es generar una serie de partes o módulos ajustables y caracterizados con los que se pueda diseñar e implementar fácilmente cualquier circuito biológico sintético deseado. [2] Estos circuitos pueden servir como método para modificar funciones celulares, crear respuestas celulares a condiciones ambientales o influir en el desarrollo celular. Al implementar elementos lógicos racionales y controlables en sistemas celulares, los investigadores pueden utilizar sistemas vivos como " máquinas biológicas " diseñadas para realizar una amplia gama de funciones útiles. [1]
El primer circuito genético natural estudiado en detalle fue el operón lac . En estudios sobre el crecimiento diáuxico de E. coli en medios con dos azúcares, Jacques Monod y Francois Jacob descubrieron que E. coli consume preferentemente la glucosa, que se procesa con mayor facilidad, antes de pasar al metabolismo de la lactosa . Descubrieron que el mecanismo que controlaba la función de "cambio" metabólico era un mecanismo de control de dos partes en el operón lac. Cuando hay lactosa presente en la célula, se produce la enzima β-galactosidasa para convertir la lactosa en glucosa o galactosa . Cuando no hay lactosa en la célula, el represor lac inhibe la producción de la enzima β-galactosidasa para evitar cualquier proceso ineficiente dentro de la célula.
El operón lac se utiliza en la industria biotecnológica para la producción de proteínas recombinantes para uso terapéutico. El gen o los genes para producir una proteína exógena se colocan en un plásmido bajo el control del promotor lac. Inicialmente, las células se cultivan en un medio que no contiene lactosa ni otros azúcares, por lo que los nuevos genes no se expresan. Una vez que las células alcanzan un cierto punto en su crecimiento, se agrega isopropil β-D-1-tiogalactopiranósido (IPTG) . El IPTG, una molécula similar a la lactosa, pero con un enlace de azufre que no es hidrolizable para que E. coli no lo digiera, se utiliza para activar o " inducir " la producción de la nueva proteína. Una vez que las células son inducidas, es difícil eliminar el IPTG de las células y, por lo tanto, es difícil detener la expresión.
En 2000 , se publicaron en la revista Nature dos ejemplos tempranos de circuitos biológicos sintéticos . Uno, obra de Tim Gardner, Charles Cantor y Jim Collins , que trabajaban en la Universidad de Boston , demostró un interruptor "biestable" en E. coli . El interruptor se activa calentando el cultivo de bacterias y se desactiva añadiendo IPTG. Utilizaron una proteína fluorescente verde como indicador para su sistema. [3] El segundo, obra de Michael Elowitz y Stanislas Leibler , demostró que tres genes represores podían conectarse para formar un bucle de retroalimentación negativa denominado Repressilator , que produce oscilaciones autosostenidas de los niveles de proteína en E. coli. [4]
En la actualidad, los circuitos sintéticos son un área de investigación en auge en biología de sistemas y cada año se publican más publicaciones que detallan circuitos biológicos sintéticos. [5] También ha habido un interés significativo en fomentar la educación y la divulgación: la Competencia Internacional de Máquinas Genéticamente Diseñadas [6] gestiona la creación y estandarización de piezas BioBrick como un medio para permitir que los estudiantes universitarios y de secundaria diseñen sus propios circuitos biológicos sintéticos.
Existen aplicaciones tanto inmediatas como a largo plazo para el uso de circuitos biológicos sintéticos, incluidas diferentes aplicaciones para ingeniería metabólica y biología sintética . Entre las que se han demostrado con éxito se incluyen la producción farmacéutica [7] y la producción de combustible. [8] Sin embargo, los métodos que implican la introducción genética directa no son inherentemente eficaces sin invocar los principios básicos de los circuitos celulares sintéticos. Por ejemplo, cada uno de estos sistemas exitosos emplea un método para introducir la inducción o expresión de todo o nada. Este es un circuito biológico en el que se introduce un represor o promotor simple para facilitar la creación del producto o la inhibición de una vía competitiva. Sin embargo, con la comprensión limitada de las redes celulares y los circuitos naturales, se dificulta la implementación de esquemas más robustos con un control y una retroalimentación más precisos. Allí radica el interés inmediato en los circuitos celulares sintéticos.
El desarrollo de la comprensión de los circuitos celulares puede conducir a nuevas y emocionantes modificaciones, como células capaces de responder a estímulos ambientales. Por ejemplo, se podrían desarrollar células que emitan señales de un entorno tóxico y reaccionen activando vías utilizadas para degradar la toxina percibida. [9] Para desarrollar una célula de este tipo, es necesario crear un circuito celular sintético complejo que pueda responder adecuadamente a un estímulo determinado.
Dado que los circuitos celulares sintéticos representan una forma de control de las actividades celulares, se puede razonar que con un conocimiento completo de las vías celulares, se pueden diseñar células "plug and play" [1] con circuitos genéticos bien definidos. Se cree ampliamente que si se genera una caja de herramientas adecuada de partes, [10] se pueden desarrollar células sintéticas que implementen solo las vías necesarias para la supervivencia y reproducción celular. A partir de esta célula, que se considerará una célula genómica mínima , se pueden agregar piezas de la caja de herramientas para crear una vía bien definida con circuitos sintéticos apropiados para un sistema de retroalimentación eficaz. Debido al método de construcción básico desde cero y la base de datos propuesta de piezas de circuitos mapeados, se pueden usar técnicas que reflejen las utilizadas para modelar circuitos electrónicos o de computadora para rediseñar células y modelar células para una fácil resolución de problemas y un comportamiento y rendimiento predictivos.
Elowitz et al. y Fung et al. crearon circuitos oscilatorios que utilizan múltiples mecanismos de autorregulación para crear una oscilación dependiente del tiempo de la expresión del producto genético. [11] [12]
Gardner et al. utilizaron la represión mutua entre dos unidades de control para crear una implementación de un interruptor de palanca capaz de controlar las células de manera biestable: estímulos transitorios que resultan en respuestas persistentes. [3]
La regulación genética es una parte esencial de los procesos de desarrollo. Durante el desarrollo, los genes se activan y desactivan en diferentes tejidos; los cambios en los mecanismos reguladores pueden dar lugar a cambios genéticos en un sistema biestable; los cambios genéticos actúan como sitios de unión de moléculas reguladoras. Se trata de proteínas que activan la transcripción cuando se posan sobre un cambio genético y, por lo tanto, expresan el gen que se esperaba que funcionara como un dispositivo de memoria, lo que permite que se elijan y mantengan las decisiones sobre el destino celular. [13]
Interruptor de palanca que funciona utilizando dos genes mutuamente inhibidores, cada promotor es inhibido por el represor que es transcrito por el promotor opuesto. Diseño del interruptor de palanca: el inductor 1 inactiva al represor 1, lo que significa que se produce el represor 2. El represor 2, a su vez, detiene la transcripción del gen represor 1 y del gen reportero. [14]
Utilizando retroalimentación negativa y promotores idénticos, los circuitos genéticos linealizadores pueden imponer una expresión genética uniforme que depende linealmente de la concentración del inductor químico extracelular. [17]
Los circuitos genéticos sintéticos pueden controlar la heterogeneidad de la expresión genética independientemente de la media de expresión genética. [18]
Los sistemas diseñados son el resultado de la implementación de combinaciones de diferentes mecanismos de control. Se implementó un mecanismo de conteo limitado mediante una cascada de genes controlada por pulsos [19] y la aplicación de elementos lógicos permite la "programación" genética de células como en la investigación de Tabor et al., que sintetizó un programa de detección de bordes bacterianos fotosensible. [20]
Los recientes avances en la síntesis artificial de genes y el correspondiente aumento de la competencia en la industria han provocado una caída significativa de los precios y los tiempos de espera de la síntesis de genes y han ayudado a mejorar los métodos utilizados en el diseño de circuitos. [21] Actualmente, el diseño de circuitos está mejorando a un ritmo lento debido a la insuficiente organización de las interacciones genéticas múltiples conocidas y los modelos matemáticos. Este problema se está abordando mediante la aplicación de software de diseño asistido por ordenador (CAD) para proporcionar representaciones multimedia de circuitos a través de imágenes, texto y lenguaje de programación aplicado a circuitos biológicos. [22] Algunos de los programas CAD más conocidos son GenoCAD, Clotho framework y j5. [23] [24] [25] GenoCAD utiliza gramáticas, que son "reglas" de código abierto o generadas por el usuario que incluyen los genes disponibles y las interacciones genéticas conocidas para la clonación de organismos. Clotho framework utiliza las reglas estándar de Biobrick . [22]