Hackeando la vida: programando nuevas funciones en bacterias y levaduras
Ingenieros biológicos del MIT han ideado un lenguaje de programación que puede ser utilizado para incorporar nuevas funciones en la bacteria E. coli. (crédito: Janet Iwasa)
Ingenieros biológicos del MIT han creado un lenguaje de programación para bacterias. Este lenguaje le permite a cualquiera diseñar con rapidez circuitos complejos de ADN que añaden nuevas funciones a células vivas –no se requiere conocimiento de ingeniería genética previo.
Por ejemplo, se pueden diseñar células bacterianas que produzcan una droga contra del cáncer al detectar algún tumor, o crear células de levadura que puedan suspender su propio proceso de fermentación si se generan demasiados subproductos tóxicos.
Rediseñando un lenguaje de programación para chip de computadora
El lenguaje está basado en Verilog, un lenguaje de texto utilizado comúnmente para programar chips de computadora. Para crear una versión de este lenguaje que pudiera funcionar con células, los investigadores diseñaron elementos de computación tales como compuertas lógicas y sensores que pudieran ser codificados en el ADN de las células.
Los sensores pueden detectar distintos compuestos, oxígeno o glucosa, por ejemplo, así como condiciones ambientales como luz, temperatura y acidez. Incluso puedes añadir tus propios sensores y puedes compilar un programa para organismos distintos para lograr la secuencia de ADN correcta para cada uno de ellos.
Puedes incluso especificar los sensores, los actuadores y el archivo UCF de limitaciones en el diseño, que defina al organismo, la tecnología de compuertas y las condiciones operativas permitidas.
Cello (una especie de compilador), un sitio web, utiliza entonces esta información para diseñar automáticamente una secuencia codificada del circuito deseado, utilizando un grupo de algoritmos para analizar gramaticalmente (parse, en inglés) el texto Verilog, crear el diagrama de circuito, asignar compuertas, hacer el balance de limitaciones para construir el ADN, y simular una ejecución, dibujando una librería de compuertas lógicas booleanas.
En la actual versión de Verilog, las partes genéticas están optimizadas para la E. Coli, pero los investigadores trabajan ya en expandir el lenguaje a otras cadenas de bacterias, incluyendo Bacteroides, que se encuentran comúnmente en el intestino humano, Pseudomonas, que viven por lo general en la raíz de las plantas y la levadura Saccharomyces cerevisiae.
Christopher Voigt, profesor de ingeniería biológica en el MIT, y sus colegas de la Universidad de Boston y el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología, han utilizado este lenguaje, que ellos mismos describen en la revista Science del 1 de abril.
No se requiere experiencia
En los últimos 15 años, biólogos e ingenieros han diseñado muchas partes genéticas del tipo de sensores, interruptores de memoria y relojes biológicos, que pueden combinarse para modificar funciones celulares ya existentes o añadir nuevas. Sin embargo, el diseño de cada circuito es un proceso laborioso que requiere de mucha experiencia y a menudo implementar una y otra vez el método de prueba y error. “Debes realmente tener un conocimiento profundo sobre la manera en que funcionarán esas partes y la manera en que operarán juntas”, dijo Voigt.
Visión de conjunto de Cello. Los usuarios de Cello escriben código Verilog y seleccionan o cargan sensores y un UCF. Sobre la base del diseño Verilog, se construye una tabla de verdad, a partir de la cual se sintetiza un diagrama de circuito. Se asignan reguladores desde una biblioteca para cada compuerta (cada color representa un represor distinto). Se utiliza diseño combinacional para concatenar las partes en una secuencia lineal de ADN. (crédito: Alec A. K. Nielsen et al./Science)
Sin embargo, los usuarios del nuevo lenguaje de programación no requieren ningún conocimiento especial o previo de ingeniería genética.
“Podrías ser alguien completamente nuevo en como funciona todo esto. Eso es realmente lo que lo hace distinto”, dijo Voigt. “Podrías estar estudiando la secundaria y visitar uno de estos servidores web y escribir el programa que desees y luego obtener la secuencia de ADN”.
Mediante el uso de este lenguaje, los investigadores del MIT programaron 60 circuitos con distinta funcionalidad, y 45 de ellos funcionaron perfectamente desde la primera vez que se les probó. Muchos de estos circuitos fueron diseñados para medir uno o más elementos del medio ambiente, tales como nivel de oxígeno o concentración de glucosa, y actuar de acuerdo a ello. Otro circuito fue diseñado para medir tres distintos elementos y luego dar una respuesta basado en un rango de prioridad para cada uno de los elementos.
Uno de estos nuevos circuitos es el circuito biológico más grande construido hasta el momento, el cual contiene siete compuertas lógicas y alrededor de 12,000 pares base de ADN.
Otra ventaja de esta técnica es la velocidad. Hasta hoy, “podría tomar años el construir uno de estos circuitos. Ahora es cosa de pulsar el botón y obtener una secuencia de ADN lista para entrar a pruebas”, dijo Voigt.
Voigt y su equipo tienen planes de desarrollar varias aplicaciones utilizando este método: bacteria que puede ser deglutida para ayudar a digerir la lactosa; bacteria que puede vivir en la raíz de las plantas y producir insecticida automáticamente si percibe que la planta está siendo atacada, y una levadura que puede ser modificada para dejar de actuar como tal en el momento que detecta que se está produciendo demasiados subproductos tóxicos en un reactor de fermentación.
Encuentras más información en [http://science.sciencemag.org/content/352/6281/aac7341]
Más información sobre Cello la encuentras en [https://github.com/CIDARLAB/cello/blob/master/README.md]
Comentarios