Jugando con sistemas biológicos

ORIGINAL: MIT News
Anne Trafton, MIT Oficina de Noticias
21 de febrero 2012

Ingeniero Biológico Chris Voigt. Photo: M. Scott Brauer

Al intercambiar genes microbianos, Chris Voigt, diseña las células con nuevas funciones.

Las bacterias no suelen tomar fotografías. Tampoco atacar a las células tumorales o producir productos químicos. Pero con la ayuda de ingeniero biológico Chris Voigt, que pueden hacer todo eso y más.

Voigt, quien se unió a la facultad del MIT en julio como profesor asociado de ingeniería biológica, le gusta jugar con las bacterias y otros microbios para conseguir que lleven a cabo multitud de tareas útiles para las cuales nunca fueron creados por la naturaleza - un enfoque conocido como biología sintética.

Por ejemplo, para desarrollar su "cámara bacteriana", Voigt y sus alumnos añaden un sensor detector de luz de un alga en la bacteria E. coli, junto con un gen que causa que la bacteria produzca un pigmento negro. Una lámina de estas bacterias actúa como la "película", y cuando una plantilla se coloca sobre la película y la luz brilla sobre ella, una imagen de las formas se imprime en la hoja de bacterias.

Del mismo modo, trabajando en tumores a la E. coli se le incorporan genes de otras bacterias que detectan niveles bajos de oxígeno y alta densidad celular, en la misma cantidad que en las condiciones que se encuentran frecuentemente en los tumores.

Voigt, había estado en la facultad de la Universidad de California en San Francisco antes de llegar al MIT, para continuar, vinculando genes con un circuito celular que desencadena la producción de una proteína llamada invasina que permite a E. coli invadir las células de mamíferos.

A pesar de todo Voigt ha logrado en la biología sintética, entró en el campo casi por accidente. Como estudiante en la Universidad de Michigan, se especializó en ingeniería química, centrándose principalmente en los estudios teóricos de la mecánica de reacción y catálisis. Pero un día, que él estaba en el edificio de Química para recoger un examen, y un profesor que lo vio de pie cerca de su puerta, le invitó a entrar, pensando que era un estudiante que había solicitado un trabajo de verano. (El alumno no se presentó.)

"Yo estaba parado allí, así que empezamos a hablar", recuerda Voigt. "Él estaba haciendo plegamiento de proteínas y por el trabajo que yo había estado haciendo sobre la catálisis, tuve la oportunidad de conversar con él sobre algunos de los fundamentos teóricos de plegamiento de proteínas, y así es como me dieron el trabajo. Así es como me metí en la biología, pero yo nunca había tenido realmente ni una de clase de ella."

En la escuela de posgrado en el Instituto de Tecnología de California, comenzó a trabajar en la evolución dirigida de proteínas - en concreto, el desarrollo de un programa de computadora que identificar los lugares en donde las mutaciones de una proteína producen una proteína mejor. Durante una temporada post-doctoral en la Universidad de California en Berkeley, se interesó en la biología sintética, que por entonces acababa de salir como un nuevo campo, basado en la idea de que los nuevos circuitos biológicos pueden ser ensambladas a partir de un conjunto de piezas estandarizadas - en este caso,  los genes.

En Berkeley, Voigt trabajó en la extracción de los circuitos genéticos de una bacteria llamada B. subtilis y la reconstitución en E. coli, por lo que podrían ser estudiadas de forma aislada. Al unirse a la facultad en la UCSF, que comenzó a trabajar en la construcción de circuitos simples, tales como un sensor que responda a un estímulo específico, lo que llevó a su cámara bacteriana.

Circuitos complejos

Voigt, que es co-director del MIT Center para Nueva Biología Sintética, ahora está trabajando en la construcción de sistemas mayores y más altamente interconectadas que incluyen sensores y circuitos que puedan responder a las entradas de los sensores.

"En este momento estamos integrando los componentes en una celda individual. Uno de los problemas con que está recibiendo todas las piezas que interactúan unos con otros ", dice. Otro reto es la prevención de las piezas que se supone que no interactúan lo hagan.

"Si usted quiere crear un sistema con 50 circuitos que están todos trabajando juntos como parte de un cálculo que la célula está ejecutando, entonces usted necesita que cada uno de esos circuitos individuales no interferir con los demás. Por lo tanto, se convierte en un problema difícil de construir de forma exponencial por cada nuevo circuito adicional y demostrar que no interactúa con todos los demás ", dice Voigt.

Tales circuitos complejos podrían constituir la base de los microbios que pueden regular sus propios procesos de fermentación - por ejemplo, la levadura que fermenta la biomasa en etanol, dice Voigt. La fermentación de etanol produce acetato, que es tóxico para la levadura, como un subproducto. Por lo tanto, la cubas de fermentación deben estar equipadas con sensores que detectan niveles peligrosos de acetato y tomar medidas correctivas, tales como frenar la entrega del suministro de alimentos de los microbios (glucosa).

Usando la biología sintética, es posible que este proceso de control podría ser transferido a las propias células. Células de levadura que sienten los niveles elevados de acetato y apagan sus propios transportadores de glucosa hasta que los niveles de acetato de volvan a bajar.

Voigt dice que él vino al MIT en parte debido a su enfoque en la ingeniería biológica como una manera de impactar una variedad de campos - no sólo la medicina sino también la agricultura, energía, química industrial, limpieza del medio ambiente y los materiales. Para ello, el nuevo Centro de Biología Sintética ha reclutado a investigadores de una amplia gama de fondos.

"Nuestra esperanza es que este lugar realmente reúne a diferentes personas con los mismos objetivos que pueden pensar innovadoramente acerca de los tipos de sistemas se pueden diseñar", dice Voigt.