Recomendado 2019

La Elección Del Editor

Cirujanos cerebrales de derecha: el caso de la neurología quirúrgica internacional
El fantasma en la concha de Japón inspira robots reales
Darwin, Linneo y un chico soñoliento

Cyborgs celulares: cómo las hebras de ADN programables podrían controlar la curación

Anonim

Los cyborgs celulares podrían un día, cuando su cuerpo se quede corto en sus intentos de cazar células cancerosas, aplacar respuestas inmunes hiperactivas o ajustar el microbioma intestinal.

Alfred Pasieka / Fuente de ciencia

Alec Nielsen escribió algunas líneas de código en su computadora portátil y apareció un esquema del circuito en otra ventana. Sin embargo, a diferencia de la mayoría de las personas que diseñan circuitos, él no estaba haciendo un chip de computadora. Estaba diseñando hebras de ADN.

Nielsen y un número creciente de investigadores quieren secuestrar los procesos bioquímicos de las células vivas para convertirlas en ciborgs microscópicos, en parte seres vivos, en parte máquinas programables. Estos cyborgs celulares podrían ser un día cuando su cuerpo se quede corto en sus intentos de cazar células cancerosas, aplacar respuestas inmunes hiperactivas o ajustar el microbioma intestinal.

La clave de esta visión es controlar cómo las células perciben y responden a sus entornos, dice Christopher Voigt, un ingeniero de bioquímica en MIT y co-fundador de Asimov, una empresa de biotecnología que lidera Nielsen. En la naturaleza, las células hacen esto activando diferentes genes en diferentes momentos bajo diferentes condiciones. Toda esta actividad está controlada por las complejas interacciones del ADN, el ARN (las moléculas que llevan a cabo las instrucciones del ADN) y las moléculas de proteínas, dice Voigt.

Los investigadores están ganando el control del comportamiento celular haciendo versiones simplificadas y sintéticas de esas interacciones genéticas o circuitos genéticos, y cada vez más hacen circuitos que funcionan en la lógica de la computadora. Los chips de computadora están compuestos por miles de millones de transistores que activan y desactivan el flujo de electricidad en los cables microscópicos. Los transistores están conectados para formar puertas lógicas, cuyas salidas están determinadas por los tipos de entradas que reciben. Por ejemplo, una compuerta AND permite que la corriente fluya solo si la corriente fluye desde todas las entradas, mientras que una compuerta OR solo requiere una entrada. Las combinaciones de diferentes puertas lógicas dan a los teléfonos inteligentes, computadoras e Internet la capacidad de ejecutar programas, procesar datos y enviar y recibir información.

En lugar de transistores, estos circuitos lógicos biológicos sintéticos utilizan cadenas especialmente diseñadas de ADN o ARN. Esta lógica biológica opera por separado de las funciones celulares normales en los cyborgs celulares. La lógica determina cuándo son adecuadas las condiciones para activar los genes cyborg, que pueden hacer todo tipo de cosas útiles como producir proteínas que matan el cáncer, transformar células madre en tipos de células específicos o ajustar el sistema inmunológico.

"Se puede imaginar diseñando organismos enteros para hacer cosas que normalmente no pueden hacer", dice Voigt.

Dan Bishop / Discover

Curación Calculada
Todavía es temprano, pero en los últimos años, los investigadores han dotado a las células de manera rutinaria con capacidades informáticas rudimentarias, dice James Collins, otro bioingeniería del MIT y uno de los pioneros de la biología sintética. Muchos investigadores han desarrollado células con una forma simple de lógica: interruptores basados ​​en puertas AND y OR. Synlogic, una firma de biotecnología que Collins fundó y fundó, está desarrollando varias terapias que utilizan este tipo de interruptor lógico en las bacterias. Por ejemplo, tales probióticos diseñados para tratar los trastornos metabólicos genéticos raros eliminando el amoníaco después de detectar altos niveles de este en la sangre.

Synlogic también está desarrollando interruptores más complicados con múltiples entradas y salidas para usar en terapias para enfermedades inflamatorias del intestino, dice Collins. Estos interruptores solo se activan cuando la célula detecta todos los biomarcadores para la inflamación, una puerta Y de entrada múltiple, en términos lógicos. Cuando un interruptor cambia, el cyborg bacteriano segrega antioxidantes y moléculas que reducen la respuesta inflamatoria del sistema inmunológico.

Martin Fussenegger, bioingeniería de ETH Zurich en Basilea, Suiza, ha realizado varios estudios de prueba de concepto en modelos de ratón que muestran el potencial de los cyborgs celulares de mamíferos. En un estudio de tratamiento de la psoriasis, las células modificadas genéticamente produjeron proteínas antiinflamatorias cuando detectaron niveles elevados de dos proteínas específicas. "Entonces, si una célula de diseñador necesita responder a la psoriasis, necesita implementar la lógica de compuerta AND", dice.

Interruptores como estos son el comienzo de lo que es posible al agregar capacidades de cómputo a las células vivas. Gracias a las puertas NOR genéticas, que se desactivan si cualquiera de dos o más entradas está activada, las células pueden bloquear la expresión de un gen si hay ciertas biomoléculas presentes. En un artículo de 2017, un equipo de investigadores demostró que podían unir cinco compuertas NOR en una célula de levadura. Otro equipo construyó un sumador completo de tres entradas y dos salidas (un circuito que literalmente suma números), que combina diferentes tipos de puertas lógicas, en células embrionarias humanas. Estos avances significan que los cyborgs celulares con capacidades de computación más avanzadas que los conmutadores simples no se quedan atrás.

Los investigadores han estado soñando con todo tipo de cyborgs celulares, y con herramientas como Cello, el software que utiliza Asimov, diseñar los circuitos genéticos necesarios es relativamente sencillo. El desafío es crear componentes de circuitos lógicos que funcionen de manera confiable sin interferencia de la actividad natural en las células, y que no roben a las células demasiada energía o demasiados recursos.

Respuesta Inmune Lógica
Otro método para construir cyborgs celulares es usar células que son bastante inteligentes para comenzar. Wilson Wong, un ingeniero biológico de la Universidad de Boston, está convirtiendo las células T humanas, los bloques de construcción del sistema inmunológico, en cyborgs celulares. Su laboratorio está desarrollando un cyborg basado en una célula T que es naturalmente adepta a matar células cancerosas. "Solo pedimos que sea un poco más inteligente y tome las decisiones de la manera que queremos", dice.

El campo de la inmunoterapia del cáncer, en el que las células inmunitarias están diseñadas para atacar el cáncer, se ha acalorado recientemente con el desarrollo de lo que se llama CAR-T. En la terapia CAR-T, que recibió la aprobación de la FDA en agosto de 2017, las células T de un paciente se eliminan, se modifican para detectar un tipo específico de célula cancerosa y luego se inyectan nuevamente en el paciente. Pero las terapias CAR-T de hoy son estáticas y relativamente simples. También pueden desencadenar reacciones exageradas potencialmente mortales del sistema inmunológico del paciente.

El laboratorio de Wong ha desarrollado un sistema inteligente CAR-T llamado sistema Split Universal y programable (SUPRA) CAR, que se basa en múltiples biomarcadores de cáncer y ajusta la fuerza de la respuesta inmune al grado de cáncer del paciente. Si las células cancerosas desarrollan la capacidad de esconderse de los cyborgs de células T, también les permite a los médicos reorientar las células inteligentes después de que estén en el cuerpo del paciente.

Wong pretende llevar este concepto CAR-T más allá de los tratamientos contra el cáncer. Al diseñar las células T reguladoras, que suprimen la respuesta inmune del cuerpo, los investigadores podrían desarrollar tratamientos para enfermedades autoinmunes como la artritis reumatoide, la diabetes tipo 1 y la esclerosis múltiple, dice. El objetivo de Wong es programar diferentes tipos de células T y controlarlas individualmente, un concepto que ha denominado el sistema inmunológico protésico. Los médicos podrían usarlo para regular la respuesta inmune de un paciente, dice. "Si puedes hacer eso, puedes tratar una gran cantidad de enfermedades".

Aunque es probable que los cyborgs humanos sigan siendo ciencia ficción durante muchos años, es posible que no pase mucho tiempo antes de que las personas rutinariamente tengan cyborgs celulares nadando en sus venas.

Top