La bacteria representa el primer oscilador genético sincronizado. Los científicos afirman que la herramienta será de importancia fundacional para la biología sintética, una rama de la ingeniería genética cuyo objetivo es la creación de microorganismos diseñados para llevar a cabo funciones útiles. El oscilador puede que algún día proporcione la base para la creación de nuevos biosensores adaptados para la detección de toxinas, o para sistemas de distribución de fármacos en células diseñados para liberar los componentes químicos en el cuerpo en intervalos preprogramados.
Los osciladores son una parte integral del mundo biológico, y definen los ciclos que se encuentran desde en lo latidos del corazón, pasando por las ondas cerebrales o los ritmos circadianos. También proporcionan un mecanismo de control vital dentro de los circuitos electrónicos. Los biólogos comenzaron a crear una primera versión biológica hace más de una década, fabricando un circuito apodado como el “represilador.” (La creación del represilador en el año 2000, junto con el interruptor de encendido y apagado, se considera generalmente como el nacimiento de la biología sintética.) Sin embargo, a los primeros osciladores les faltaba precisión—el ritmo rápidamente decaía, y su frecuencia y amplitud no podían ser controladas.
En 2008, Jeff Hasty y su equipo en la Universidad de Califo ia, San Diego, crearon un oscilador más robusto que podía ser ajustado en función de la temperatura a la que la bacteria fuese cultivada, los nutrientes con los que se alimentase, y componentes químicos específicos provocadores de reacciones. No obstante los osciladores aún así se veían limitados a células individuales—las bacterias no brillaban juntas la vez. En el nuevo estudio, publicado hoy en la revista Nature, Hasty y sus colegas continuaron este trabajo e incorporaron la detección de quorum, una forma molecular de comunicación que muchas bacterias usan para coordinar su actividad.
El nuevo oscilador consiste en un circuito simple de dos genes que crea un ciclo de feedback tanto positivo como negativo. El circuito se activa por una molécula señalizadora, que provoca la producción de más moléculas como ella así como de una molécula brillante llamada proteína verde fluorescente. La molécula señalizadora se difumina fuera de la célula y activa el circuito en las bacterias vecinas.
El circuito activado también produce una proteína que descompone la molécula señalizadora, lo que a lo largo del tiempo hace que el ciclo frene. Las interacciones dinámicas de las distintas partes del circuito en las células individuales y colindantes crean unos pulsos frecuentes de la molécula señalizadora y la proteína fluorescente, lo que posee la apariencia de una onda de actividad sincrónica. Es “una hazaña parecida a la de hacer que todos los semáforos del mundo parpadeen al mismo tiempo,” escribió Martin Fussenegger, bioingeniero del Instituto Federal Suizo de Tecnología, en Zurich, en un comentario que acompaña al estudio publicado en Nature.
Las colonias de bacterias se cultivan en un chip de microfluidos diseñado a medida, un dispositivo que permite a los científicos controlar con precisión las condiciones a las que están expuestas los microorganismo. Al cambiar la cuota con la que los nutrientes entran en el chip se altera el periodo de las oscilaciones, afirma Hasty.
“La capacidad para sincronizar la actividad entre las células en una población podría ser un elemento de construcción importante para muchas aplicaciones, desde la biomedicina hasta la bioenergía,” afirma Ron Weiss, antiguo ganador del TR35 y bioingeniero en MIT que no estuvo involucrado en la investigación. Por ejemplo, las bacterias podrían modificarse para detectar una toxina específica, y la frecuencia de la fluorescencia indicaría su concentración en el ento o. Aunque en la actualidad se necesita un microscopio para interpretar los resultados, el equipo de Hasty está trabajando en una versión que pueda ser visualizada simplemente con el ojo.
El oscilador también podría usarse para distribuir medicamentos, como por ejemplo la insulina, que funcionen mejor al ser dosificados en ciertos intervalos. “En el futuro podríamos pensar en implantes que produzca un efecto terapéutico,” afirma Fussenegger. La dosificación del medicamento estaría relacionada con la fuerza o la amplitud de la oscilación, mientras que el ritmo de la dosis estaría determinado por su frecuencia. “El paciente no tendría que preocuparse de nada,” afirma.
En la actualidad los investigadores están intentando hacer que el sistema sea más robusto, así como hacer que se amplíe la cantidad de tiempo a lo largo de la cual se pueda sincronizar la actividad. También quieren combinarlo con osciladores genéticos anteriores, y transferirlo a distintos tipos de células que podrían encajar dentro de distintas aplicaciones biotecnológicas.