Usando el inocuo virus bacteriano M13, los bioingenieros en Stanford han creado un mecanismo biológico para enviar mensajes genéticos de célula a célula, que ellos denominan “Bi-Fi» algo así como «Internet biológica».

El sistema aumenta enormemente la complejidad y la cantidad de datos que pueden ser transmitidos entre las células y podría conducir a un mayor control de las funciones biológicas dentro de las comunidades de células.

Este avance podría resultar muy beneficioso para los bioingenieros que buscan crear comunidades multicelulares complejas, que trabajan en conjunto para llevar a cabo importantes funciones biológicas.

La investigadora, Mónica Ortiz, estudiante de doctorado en bioingeniería, y Drew Endy , profesor adjunto de bioingeniería, publicaron sus hallazgos el 7 de septiembre en un artículo del Journal of Biological Engineering.

La M13 es un empaquetadora de mensajes genéticos. Se reproduce dentro de su huésped, recopilando cadenas de ADN (las hebras que los ingenieros pueden controlar) y las envuelve una por una para enviarlas encapsuladas dentro de las proteínas producidas por la misma M13, capaz de infectar a otras células. Una vez dentro del nuevo huésped, liberan el empaquetado mensaje del ADN.

Sistemas de comunicación biológica. (a) Diagrama esquemático de un sistema general de comunicación, adaptado del de Claude Shannon. (b) Representación de un sistema de comunicación célula-célula basado en el bacteriófago M13 dentro del marco de Shannon (crédito: Monica E Ortiz, Drew Endy/Journal of Biological Engineering)

Incremento de la frecuencia

El sistema basado en el M13 es esencialmente un canal de comunicación. Actúa como una conexión de inalámbrica de Internet, que permite a las células enviar o recibir mensajes, pero sin importar los secretos que contienen los mensajes transmitidos.

«Efectivamente, hemos separado el mensaje del canal. Ahora podemos enviar cualquier mensaje ADN que queramos a células específicas dentro de una comunidad microbiana compleja», subrayó Ortiz, principal autor del estudio. «Las células, de forma natural, utilizan diversos mecanismos, incluyendo los químicos, para comunicarse, pero dichos mensajes pueden estar extremadamente limitado tanto por la complejidad como por el ancho de banda. Las señales químicas simples suelen ser el mensaje y el mensajero, dos funciones que no pueden ser separadas.

Las células diseñadas con M13 que están programadas para comunicarse de forma mucho más compleja, haciéndolas más poderosas que nunca. Los posibles mensajes sólo están limitadas por lo que puede ser codificado en el ADN, y por lo tanto, puede incluir cualquier tipo de instrucción genética: comenzar a crecer, dejar de hacerlo, acercarse, producir insulina y así sucesivamente.

Aprovechar el ADN para la mensajería de célula a célula, los investigadores también han aumentado considerablemente la cantidad de datos que pueden transmitir en cualquier momento. La cadena más grande de ADN que haya empaquetado el M13 incluye más de 40.000 pares de bases. Los pares de bases, como 1s y 0s, en la codificación digital, son los bloques de construcción básicos de los datos genéticos. La mayoría de los mensajes genéticos que interesan en bioingeniería están en un rango de los varios cientos a muchos miles de pares de bases.

Ortiz, incluso, fue capaz de transmitir sus mensajes genéticos entre células separadas por un medio gelatinoso a una distancia de más de 7 centímetros. «Eso es una comunicación de muy largo alcance, celularmente hablando», resaltó.

Fábricas biosintéticas

Por esta vía, la Internet biológica podría llevar a estas fábricas de biosíntéticas, en las que colaboran enormes masas de microbios, puedan hacer combustibles más complicados, productos farmacéuticos y otras sustancias químicas útiles. Con estas mejoras, dicen los ingenieros, la plataforma de comunicación célula a célula podría permitir algún día una mayor complejidad en la programación en tres dimensiones de los sistemas celulares, como puede ser la regeneración de tejidos u órganos.

«La capacidad de comunicar mensajes ‘arbitrarios’ es un paso fundamental, desde la sola relación señal-respuesta a la de un verdadero lenguaje de la interacción», añadió Radhika Nagpal, profesora de ciencias informáticas en el Instituto Wyss de Ingeniería inspirada en la biología, de la Universidad de Harvard, que no participó en la investigación. «La orquestación de esta cooperación de células para formar tejidos artificiales, o incluso organismos artificiales, es tan sólo una posibilidad, pero abre la puerta a nuevos sistemas biológicos, además de resolver problemas que no tienen analogía directa en la naturaleza.»

Según Ortiz, «la Internet biológica se encuentra en sus primeras etapas. Cuando la información de Internet fue introducida por primera vez en la década de 1970, habría sido difícil imaginar la miríada de usos que tiene hoy día, así que, no sabemos todos los caminos que puede estar abriendo este nuevo trabajo.»

La financiación de la investigación fue proveída por el NSF Synthetic Biological Engineering Research Center y el departamento de Bioingeniería la Universidad de Stanford, que operan conjuntamente con las facultades de Ingeniería y Medicina.

– Imagen: La activación de la beta-galactosidasa en las células receptoras a través de la difusión de partículas de mensaje solamente (crédito: Monica E Ortiz, Drew Endy/Journal of Biological Engineering)

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