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 . Las aplicaciones van desde simplemente inducir la producción hasta agregar un elemento medible, como GFP , a un circuito biológico natural existente , hasta implementar sistemas completamente nuevos de muchas partes. [1]
El objetivo de la biología sintética es generar una serie de piezas o módulos sintonizables y caracterizados, con los que se puede diseñar e implementar fácilmente cualquier circuito biológico sintético deseable. [2] Estos circuitos pueden servir como un método para modificar las funciones celulares, crear respuestas celulares a las condiciones ambientales o influir en el desarrollo celular. Al implementar elementos lógicos racionales y controlables en los sistemas celulares, los investigadores pueden utilizar los sistemas vivos como " máquinas biológicas " diseñadas para realizar una amplia gama de funciones útiles. [1]
Historia
El primer circuito genético natural estudiado en detalle fue el operón lac . En estudios de crecimiento diauxico de E. coli en medios de dos azúcares, Jacques Monod y Francois Jacob descubrieron que E. coli consume preferentemente la glucosa que se procesa más fácilmente antes de cambiar al metabolismo de la lactosa . Descubrieron que el mecanismo que controlaba la función de "conmutación" metabólica era un mecanismo de control de dos partes en el operón lac. Cuando la lactosa está presente en la célula, se produce la enzima β-galactosidasa para convertir la lactosa en glucosa o galactosa . Cuando la lactosa está ausente en la célula, el represor lac inhibe la producción de la enzima β-galactosidasa para prevenir cualquier proceso ineficaz dentro de la célula.
El operón lac se utiliza en la industria de la biotecnología para la producción de proteínas recombinantes para uso terapéutico. El gen o 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) . IPTG, una molécula similar a la lactosa, pero con un enlace de azufre que no es hidrolizable para que E. Coli no la digiera, se utiliza para activar o " inducir " la producción de la nueva proteína. Una vez que se inducen las células, es difícil eliminar IPTG de las células y, por lo tanto, es difícil detener la expresión.
Dos ejemplos tempranos de circuitos biológicos sintéticos se publicaron en Nature en 2000. Uno, por Tim Gardner, Charles Cantor y Jim Collins, que trabajaban en la Universidad de Boston , demostró un interruptor "biestable" en E. coli . El interruptor se enciende calentando el cultivo de bacterias y se apaga mediante la adición de IPTG. Utilizaron a GFP como reportero de su sistema. [3] El segundo, de Michael Elowitz y Stanislas Leibler , mostró que tres genes represores podrían estar conectados para formar un circuito de retroalimentación negativa denominado Represilador que produce oscilaciones autosostenidas de los niveles de proteína en E. coli. [4]
Actualmente, los circuitos sintéticos son un área floreciente de investigación en biología de sistemas con más publicaciones que detallan los circuitos biológicos sintéticos publicados cada año. [5] También ha habido un interés significativo en fomentar la educación y la divulgación: el Concurso Internacional de Máquinas de Ingeniería Genética [6] gestiona la creación y estandarización de piezas de BioBrick como un medio para permitir que los estudiantes de pregrado y secundaria diseñen sus propios circuitos biológicos sintéticos .
Intereses y metas
Existen aplicaciones tanto inmediatas como a largo plazo para el uso de circuitos biológicos sintéticos, incluidas diferentes aplicaciones para la ingeniería metabólica y la biología sintética . Entre las demostradas 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 intrínsecamente efectivos sin invocar los principios básicos de los circuitos celulares sintéticos. Por ejemplo, cada uno de estos sistemas exitosos emplea un método para introducir inducción o expresión de todo o nada. Se trata de 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 competidora. 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 retroalimentación más precisos. Ahí radica el interés inmediato por los circuitos celulares sintéticos.
El desarrollo en la comprensión de los circuitos celulares puede conducir a nuevas y emocionantes modificaciones, como las células que pueden responder a los estímulos ambientales. Por ejemplo, se podrían desarrollar células que señalen entornos tóxicos y reaccionen activando las 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 dado.
Dado que los circuitos celulares sintéticos representan una forma de control de las actividades celulares, se puede razonar que con una comprensión completa 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 piezas, [10] se pueden desarrollar células sintéticas implementando solo las vías necesarias para la reproducción de la supervivencia celular. A partir de esta célula, que se puede considerar como una célula de genoma mínimo , se pueden agregar piezas de la caja de herramientas para crear una ruta bien definida con circuitos sintéticos apropiados para un sistema de retroalimentación eficaz. Debido al método básico de construcción 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 celdas y modelar celdas para una fácil resolución de problemas y comportamiento predictivo y rendimientos.
Circuitos de ejemplo
Osciladores
- Represilador
- Oscilador sintético sintonizable de mamíferos
- Oscilador sintético sintonizable bacteriano
- Oscilador bacteriano acoplado
- Oscilador bacteriano acoplado globalmente
Elowitz y col. y Fung et al. creó circuitos oscilatorios que utilizan múltiples mecanismos de autorregulación para crear una oscilación dependiente del tiempo de la expresión del producto génico. [11] [12]
Interruptores biestables
- Interruptor de palanca
Gardner y col. utilizó 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 dan como resultado respuestas persistentes. [3]
Operadores logicos
Sintonizadores analógicos
Utilizando retroalimentación negativa y promotores idénticos, los circuitos de genes linealizadores pueden imponer una expresión génica uniforme que depende linealmente de la concentración del inductor químico extracelular. [15]
Controladores de la heterogeneidad de la expresión génica
Los circuitos de genes sintéticos pueden controlar la expresión génica. La heterogeneidad puede controlarse independientemente de la media de expresión génica. [dieciséis]
Otros sistemas de ingeniería
Los sistemas de ingeniería 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 [17] 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 fotosensibles. [18]
Diseño de circuito
Los recientes avances en la síntesis de genes artificiales y el correspondiente aumento de la competencia dentro de la industria han provocado una caída significativa en el precio y el tiempo de espera de la síntesis de genes y han ayudado a mejorar los métodos utilizados en el diseño de circuitos. [19] En este momento, el diseño de circuitos está mejorando a un ritmo lento debido a la organización insuficiente de las interacciones de genes múltiples y modelos matemáticos conocidos. Este problema se está abordando mediante la aplicación de software de diseño asistido por computadora (CAD) para proporcionar representaciones multimedia de circuitos a través de imágenes, texto y lenguaje de programación aplicado a circuitos biológicos. [20] Algunos de los programas CAD más conocidos incluyen GenoCAD, Clotho framework y j5. [21] [22] [23] 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. El marco de Clotho utiliza las reglas estándar de Biobrick . [20]
Referencias
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enlaces externos
- Regulación genética: hacia una disciplina de ingeniería de circuitos
- Osciladores genéticos sintéticos