Unos microbios modificados genéticamente pueden producir biocombustibles, fármacos y otros productos de manera eficiente y realizar trabajos arduos como la limpieza de residuos tóxicos. Sin embargo, el diseño de las vías bioquímicas complejas que los microbios modificados requieren para realizar estas tareas es como construir una máquina de Rube Goldberg. Conseguir el diseño genético adecuado es un proceso de ensayo y error que consume tiempo.

Christopher Voigt, profesor asociado de la Universidad de California en San Francisco, espera cambiar eso con un software que automatiza la creación de "circuitos genéticos" en los microbios. Estos circuitos son las vías de genes, proteínas y otras biomoléculas que las células utilizan para realizar una tarea concreta, como descomponer el azúcar y convertirlo en combustible. Hasta el momento, Voigt y sus colaboradores han desarrollado los componentes básicos de circuitos en los E. coli. Ellos están trabajando con la gran empresa de biotecnología californiana Life Technologies para desarrollar un software que permitiría a los bioingenieros diseñar circuitos genéticos completos con mayor facilidad.

Diseñar un microbio para una tarea en particular, sería entonces muy similar a crear un nuevo programa de ordenador, señala Voigt. De la misma forma que los programadores no tienen que pensar acerca de cómo los electrones se mueven a través de las puertas en un circuito integrado, explica él, los bioingenieros podrían llegar a ser capaces de diseñar circuitos de genes, proteínas y otras biomoléculas a un cierto nivel de abstracción. "Si aplicamos procesos computacionales a las cosas que las bacterias ya pueden hacer, podemos conseguir un control total sobre la producción de seda de araña, de fármacos, u de otros productos químicos", afirma él.

Ciertos tipos de circuitos podrían, por ejemplo, ayudar a regular la actividad de las bacterias que producen biocombustibles. En lugar de requerir controles externos, los circuitos internos podrían mantener los niveles de productos químicos y las otras condiciones necesarias para mantener a las bacterias produciendo a altos rendimientos. "Estamos tratando de hacer entender a la célula dónde se encuentra y lo que tiene que hacer en función de su comprensión del mundo", explica Voigt. Intentar diseñar un circuito de control de este tipo sin la ayuda de un ordenador requerería un gran proceso de ensayo y error.

Recientemente, Voigt ha desarrollado un tipo de componente de circuitos de E. coli llamado puerta NOR. Las puertas NOR se pueden combinar para llevar a cabo cualquier operación lógica. En el trabajo descrito en la revista Nature, el grupo de Voigt también mostró que podía mejorar la calidad de la salida de los circuitos bacterianos haciendo que trabajaran de manera colectiva, formando un circuito de puertas NOR, una en cada célula. Voigt ha diseñado circuitos bacterianos para conectarlos a los sistemas naturales de comunicación bacteriana llamados sentido quórum, por lo que las células pueden "votar" por una salida. Esto aumenta la calidad de la computación realizada.

"Este trabajo representa un gran paso hacia adelante en la biología sintética que expande nuestra capacidad de diseñar bacterias funcionales y programables," afirma James Collins, profesor de ingeniería biomédica de la Universidad de Boston que no está afiliado con el equipo de Voigt. Collins señala que los investigadores de California han aprendido a combinar circuitos sencillos en células individuales para conseguir un circuito más complejo a nivel de población. "Esto representa un paso importante hacia el aprovechamiento del poder de los ecosistemas sintéticos para aplicaciones biotecnológicas", destaca él.

Actualmente, los investigadores de la Universidad de California están entrando en el segundo año de un acuerdo de investigación con Life Technologies para desarrollar un software que automatice el proceso de diseño biológico. "La idea es tomar estos módulos de software y desarrollarlos para que el proceso de selección de partes biológicas y de diseño de circuitos sea mucho más automatizado y simplificado de lo que es actualmente", explica Todd Peterson, vicepresidente de investigación y desarrollo de biología sintética en la empresa. La empresa espera incorporar la mayoría de los módulos de software diseñados por el grupo de Voigt en su software Vector NTI a finales de la primavera de 2012.