El uso de microorganismos como circuitos lógicos

La base del funcionamiento de las computadoras actuales son las puertas lógicas, las cuales se basan en los operadores booleanos. Este consiste en un sistema donde una señal de entrada (input) es trasformada en una determinada señal de salida (output) en función a una operación lógica (gate).

Un output generado por una puerta lógica puede ser usado como un input para una segunda puerta lógica, de esta manera, se pueden establecer largas conexiones lógicas que es la base de todo sistema computacional. Las computadoras han desarrollado estas redes lógicas de manera electrónica usando los transistores, generando circuitos integrados de múltiples inputs para dar otra gran variedad de outputs digitales.

Así que Tamsir et al. aplicaron esta misma idea pero usando microorganismos como si fueran transistores. Los organismos vivos también responden de diferentes maneras ante los estímulos de su ambiente, dependiendo de su metabolismo y las reacciones bioquímicas que ocurren en su interior. Así que un determinado estímulo, por ejemplo, la presencia de un antibiótico, puede generar la expresión de una enzima capaz de degradar el antibiótico y evitar que lo perjudique. En este caso, el antibiótico sería el input, la activación del gen de resistencia sería el gate o puerta lógica y la enzima que degrada al antibiótico sería el output. En bacterias, la mayoría de los genes están ubicados dentro de operones, de esta manera, la expresión de varios genes se dará como consecuencia de la presencia de un mismo estímulo.

Por ejemplo, la presencia de lactosa en el medio activará al operón Lac que comprende 3 genes: uno que codifica para una proteína que permitirá el ingreso de la lactosa a la bacteria y otros dos que se encargarán de modificar y degradar la lactosa para convertirla en galactosa y glucosa que serán usados por la bacteria para su crecimiento.

Gracias a la ingeniería genética podemos insertar o cambiar genes dentro de los operones. Entonces, si insertamos un gen que exprese una proteína fluorescente (gen reportero) dentro de un determinado operón, podremos observar la presencia del estímulo a través de la emisión de fluorescencia por parte de la bacteria. Tamsir et al. usaron este principio para crear puertas lógicas con bacterias.

Primero crearon las puertas lógicas OR y NOR. Para ello usaron como inputs a la arabinosa (input 1) y a la anhidrotetraciclina (input 2). Para la`puerta lógica OR, la cual da un output positivo cuando al menos uno de los inputs está presente, Tamsir et al. pusieron al gen reportero (la proteína fluorescente amarilla: YFP) bajo el control de los promotores Ara y Tet dispuestos uno después del otro. Así que ante la presencia de arabinosa y/o anhidrotetraciclina, el gen reportero será expresado.

Por otro lado, para la puerta lógica NOR, que sólo dará un input positivo si ninguno de los input está presente, pusieron al gen reportero bajo el control de un promotor que funciona todo el tiempo pero es inactivado ante la presencia del represor cI y al represor cI lo pusieron bajo el control de los promotores Ara y Tet dispuestos en tándem. Entonces, si hay arabinosa y/o anhidrotetraciclina en el medio, el represor cI se expresará y bloqueará la expresión del reportero, y si no hay ninguno de los dos estímulos, no habrá represor y el gen reportero (YFP) si se expresará.

Pero, la idea de esto es crear circuitos lógicos. Para ello deben existir "cables de conexión" entre  una bacteria y otra, para que el output de uno sirva como el input de otro y así combinar y generar circuitos lógicos que respondan de diferente manera ante la presencia de determinados estímulos. Tamsir et al. se valieron del mecanismo de quórum sensing de las bacterias para conectar una puerta lógica con otra usando las moéculas de señalización liberadas durante este mecanismo.

Generalmente, las moléculas senñalizadoras que intervienen en las bacterias gram negativas son las acil-homoserin lactonas (A-HSL). Estas moléculas son secretadas a medida que la densidad celular va aumentando y tienen la capacidad de inducir la expresión de determinados genes. Entonces Tamsir et al. usaron este mecanismo para desarrollar operaciones lógicas más complejas como AND y XOR.

Para la puerta lógica XOR, la cual da un output positivo sólo si se presenta o bien la arabinosa o bien la aciltetraciclina, pero no cuando los dos están presentes, usaron 4 tipos de bacterias diferentes. La bacteria #1 tenía un sistema NOR, el cual estaba regulado por el promotor Ara y Tet el cual expresaba el represor cI. Este represor cI controlaba la expresión de una A-HSL (LasI). La bacteria #2 y #3 también tenían un sistema NOR pero esta vez controlado por la LasI y por uno de los dos inductores: arabinosa (bacteria #2) o anhidrotetraciclina (bacteria #3). En estas dos bacterias, el represor cI controlaba la expresión de otra A-HSL (RhlI). Finalmente, la bacteria #4 tenía al gen reportero (YFP) regulado bajo el promotor Rhl. De esta manera, sólo cuando estaba presente uno de los inputs, Rhl era expresado y el reportero es visible (output positivo).

Además Tamsir et al. pudieron crear más puertas lógicas complejas usando este mismo mecanismo. De esta manera demostraron que puede ser posible generar y combinar diferentes tipos de bacterias, cada una sensible a un tipo de inductor, para así generar circuitos lógicos cada vez más complejos, que permitan desarrollar algoritmos más elaborados. La ventaja de esto sería que, a través del uso de la biología sintética, poder diseñar nuevas moléculas reguladoras, señalizadoras y promotoras, de esta manera se podría usar en muchas áreas de la ciencia. Por ejemplo, se podrían desarrollar promotores sensibles a derminados antígenos de ciertos virus o bacterias patógenas, para un diagnóstico rápido de la enfermedad o para ver si una nueva droga esta funcionando adecuadamente.

Las aplicaciones son infinitas, y con el desarrollo de la biología sintñetica y la nanotecnología podremos crear microchips en base a organismos vivos individuales. Bastaría con tomar una pequeña muestra y ponerla en nuestro bio-microchip para automáticamente tener una respuesta rápida y directa, sin la necesidad de usar computadoras y otros programas informáticos para analizar los resultados.

Referencia:

Tamsir, A., Tabor, J., & Voigt, C. (2010). Robust multicellular computing using genetically encoded NOR gates and chemical ‘wires’ Nature, 469 (7329), 212-215 DOI: 10.1038/nature09565