Células artificiales se comportan como reales

La imitación, se dice, es la forma más sincera de adulación, pero reproducir las intrincadas redes e interacciones dinámicas inherentes a las células vivas es difícil de lograr fuera de la célula. Ahora, tal como se publicó en la revista Science, científicos del Instituto Weizmann han creado un sistema artificial similar a una red celular que es capaz de reproducir el comportamiento dinámico de la síntesis de proteínas. Este logro no sólo ayudaría a obtener una comprensión más profunda de los procesos biológicos básicos, sino que en un futuro podría abrir el camino hacia el control de la síntesis de proteínas tanto de origen natural como sintéticas, para una gran cantidad de aplicaciones.

El sistema formado por múltiples compartimentos "grabados" sobre un biochip fue diseñado por los estudiantes de Doctorado Eyal Karzbrun y Alexandra Tayar, en el laboratorio del Prof. Roy Bar-Ziv, del Departamento de Materiales e Interfaces del Instituto Weizmann, en colaboración con el Prof. Vicente Noireaux, de la Universidad de Minnesota. Estos compartimentos - células artificiales, cada una de tan sólo una millonésima de un metro de profundidad - se conectan a través de tubos capilares finos, creando una red que permite la difusión de sustancias biológicas en todo el sistema. Dentro de cada compartimento los investigadores insertaron un genoma celular - hélices de ADN diseñadas y controladas por los propios científicos. A fin de traducir los genes en proteínas, los científicos cedieron el control a la bacteria E. coli: llenando los compartimientos con extractos celulares de E. coli - una solución que contiene toda la maquinaria productora de proteínas bacterianas, menos su código de ADN - los científicos fueron capaces de observar la dinámica de la síntesis proteica, sin involucrarse.

Al codificar dos genes reguladores dentro de la secuencia, los científicos crearon una tasa periódica de síntesis proteica, que alternaba espontáneamente períodos de "encendido" a "apagado". La duración de cada período fue determinada por la geometría de los compartimentos. Tal comportamiento periódico - una versión primitiva de los eventos del ciclo celular - surgió en el sistema debido a que las proteínas sintetizadas podían difundirse fuera del compartimento a través de los capilares, imitando el comportamiento de recambio proteico que ocurre de manera natural en las células vivas. Al mismo tiempo, nutrientes frescos fueron repuestos de forma continua, difundiéndose hacia el compartimento y permitiendo que la reacción de síntesis proteica continúe indefinidamente. "El sistema de células artificiales, en el que podemos controlar el contenido genético y los tiempos de dilución de las proteínas, nos permite estudiar la relación entre el diseño de redes genéticas y la dinámica emergente de las proteínas. Esto es muy difícil de hacer en un sistema vivo", dice Karzbrun. "El patrón de dos genes que hemos diseñado es un ejemplo sencillo de una red celular, pero después de haber probado el concepto podemos avanzar y crear redes genéticas más complicadas. Uno de los objetivos es diseñar eventualmente un contenido de ADN similar al del genoma real que pueda ser colocado en los compartimentos”.

Posteriormente los científicos se preguntaron si las células artificiales se comunican e interactúan entre sí como las células reales. De hecho, encontraron que las proteínas sintetizadas que se difundían a través de la matriz de compartimentos interconectados fueron capaces de regular genes y producir nuevas proteínas en compartimentos lejanos, a lo largo de la red. Efectivamente este sistema se asemeja a las etapas iniciales de la morfogénesis - proceso biológico que rige el surgimiento del plan corporal durante el desarrollo embrionario. "Hemos observado que cuando se coloca un gen en un compartimento en el borde de la matriz, se crea un gradiente de concentración decreciente de proteínas; otros compartimentos dentro de la matriz pueden detectar y responder a este gradiente – tal como se difunden los gradientes de las concentraciones de morfógenos a través de las células y de los tejidos del embrión durante el desarrollo temprano. Ahora estamos trabajando para ampliar el sistema e introducir redes de genes que imitan la formación de patrones, tales como los patrones de bandas que aparecen durante la embriogénesis de la mosca", explica Tayar.

Según Bar-Ziv, con el sistema de células artificiales se podría, en principio, codificar cualquier cosa: "Los genes son como piezas de Lego que pueden ser mezcladas y combinadas para producir diferentes resultados; se puede tomar un elemento regulador de E. coli que naturalmente controla el gen X, y producir una proteína conocida; o se puede tomar el mismo elemento regulador, pero conectarlo al gen Y, y obtener diferentes funciones que no acontecen normalmente en la naturaleza". Esta investigación podría en un futuro ayudar al progreso de la síntesis de productos tales como combustibles, productos farmacéuticos, químicos y de la producción de enzimas para uso industrial, entre otros.