Los biólogos hablan con frecuencia de activar y desactivar genes para dar nuevas habilidades a los microbios--como la producción de biocombustibles o de fármacos, o la consumición de toxinas ambientales. En su mayor parte, sin embargo, es casi imposible desactivar un gen sin eliminarlo (lo que significa que no se podrá activar de nuevo). Esto limita la capacidad de los biólogos de controlar la cantidad que un microbio produce de una proteína determinada. También limita la capacidad de los bioingenieros para diseñar nuevos microbios.

Recientemente, un equipo de investigadores de la Universidad de Boston, dirigido por el profesor de ingeniería biomédica James Collins, ha desarrollado un “interruptor" genético altamente adaptable que ofrece un mayor grado de control sobre los microbios. Éste permite detener la producción de una proteína y también reiniciarla. El interruptor, que se podría usar para controlar cualquier gen, también puede actuar como un “potenciómetro” para ajustar finamente la cantidad de proteína que un microbio produzca en un intervalo de tiempo.

Para demostrar la precisión de su enfoque este equipo de investigadores creó un “interruptor mortal” para microbios altamente efectivo. Durante años, los investigadores han estado tratando de desarrollar mecanismos de auto-destrucción de este tipo para despreocuparse por el hecho de que los microbios genéticamente modificados puedan resultar imposibles de erradicar una vez que han dejado de ser útiles. Sin embargo, los interruptores anteriores no han ofrecido un control lo suficientemente estricto para superar las regulaciones gubernamentales, ya que resultaba difícil hacer que se activara en todas las células de una población al mismo tiempo.

El campo de la biología sintética implica el rediseño de redes de genes para permitir a los microbios realizar funciones de utilidad de manera eficiente. Un ejemplo de tal función sería la producción de una proteína que lleve a un producto final deseado, como un combustible o un fármaco. No obstante, para los bioingenieros es difícil controlar cómo una célula utilizará el gen que se le otorga, y esto hace que sea difícil controlar a estos organismos en masa. Una comunidad de células dentro de un reactor de biocombustibles, por ejemplo, no se comportará de manera uniforme, aunque las células sean clones genéticamente idénticos.

"Se está tratando de regular una población [de microbios] al completo", señala Dan Robinson, vicepresidente de ciencias biológicas de Joule Unlimited, una empresa que está diseñando microbios que convierten la luz solar en combustibles. (Joule no participó en la investigación, pero Collins es consejero científico de la empresa.)

El interruptor de Collins, descrito en línea en las Proceedings of the National Academy of Sciences, activa y desactiva un gen modificado. El interruptor es creado por secuencias de ADN que pueden ser añadidas a cualquier gen que un bioingeniero quiera regular. Cuando la célula toma el primer paso hacia la expresión de ese gen--creando una molécula intermedia de ARN que puede ser "leída" para sintetizar la correspondiente proteína--también crea el interruptor de ARN. Cuando se fabrica el primer interruptor, el de apagado, éste se acopla al ribosoma, impidiendo que sintetice una proteína determinada. Cuando se crea el segundo interruptor, el de encendido, éste tira del primer interruptor de ARN, lo separa del ribosoma y ambos interruptores se unen, permitiendo al ribosoma reanudar la producción.

Dependiendo de cómo se diseñen, la producción de los interruptores de ARN se puede regular mediante la exposición de las bacterias a una sustancia química en particular. Controlando la cantidad de interruptores de RNA de encendido y de apagado que se producen, es posible regular también la producción de proteína en un proceso continuo, y no sólo activarla o apagarla totalmente.

Mientras que otras técnicas de expresión génica necesitan ser diseñadas para un gen en particular, destaca Collins, el interruptor basado en ARN "se puede utilizar para controlar cualquier gen de interés." Otros interruptores se basan en proteínas para regular la expresión génica. Sin embargo, el uso de proteínas requiere varios pasos, lo que significa que no es tan rápido de fabricar como los interruptores de ARN.

El sistema de auto-destrucción microbiana que Collins creó para demostrar los interruptores utiliza dos genes que, cuando se expresan al mismo tiempo, crean dos proteínas que causan que la célula estalle. Ambos genes son configurados en posición de apagado en todas las células por el componente vinculante de RNA ribosomal hasta que un estímulo químico externo provoca que las células produzcan la segunda cadena de ARN, permitiendo al ribosoma sintetizar las proteínas matadoras de células.

Un interruptor mortal de este tipo podría ser útil en los microbios diseñados para, por ejemplo, eliminar las toxinas del medio ambiente. Una vez que los microbios se han deshecho de una toxina, "se podría rociar la zona con un compuesto que activaría la expiración de las células cuando se diera la orden", indica Collins. El interruptor mortal también podría combinarse con otras herramientas de la biología sintética, tales como relojes genéticos para diseñar bacterias que vivan un número determinado de días.

Estos interruptores permiten "hacer el tipo de cosas que la gente como yo lucha por hacer", afirma Robertson. Uno de los principales retos para una empresa como Joule, señala él, es cumplir con las regulaciones sobre la contención medioambiental de organismos modificados genéticamente, y el interruptor de Collins podría ayudar en este sentido.

Collins está trabajando para combinar los interruptores para obtener lo que él llama “centralitas de control”. "Queremos ajustar los genes como si se trataran de un reóstato", afirma él. Una centralita de este tipo podría ser usada para controlar una población de células de modo que primero centrara sus energías en hacer crecer su población. Seguidamente, cuando los ingenieros lo consideraran oportuno, podrían administrar señales químicas que provocaran que las células aumentaran poco a poco la producción de un combustible, por ejemplo.