La primera Computadora biológica

En una investigación que ha costado cinco años de trabajo y que inaugura un nuevo campo científico, dos equipos de la Universitat Pompeu Fabra (UPF) han creado una computadora biológica.
Su objetivo no es sustituir los chips por células para llegar a hacer lo mismo que un ordenador convencional. Para procesar textos, retocar fotos o conectarse a internet, “ya tenemos una tecnología que funciona, no tendría sentido crear otra tecnología más compleja para hacer lo mismo”, explica Ricard Solé, director de la parte teórica de la investigación.
El objetivo es más ambicioso: hacer operaciones de computación que están fuera del alcance de los ordenadores convencionales. Concretamente, operaciones de computación biológica. Lo cual podría ser útil para regular sistemas biológicos, desde células aisladas hasta ecosistemas enteros, pasando por organismos pluricelulares como el cuerpo humano y el tratamiento de sus enfermedades.
“Por ejemplo, la diabetes”, explica Francesc Posas, que ha dirigido la parte experimental de la investigación. Un sistema biológico que capte los niveles de glucosa en la sangre, realice una computación y reaccione segregando insulina (que reduce el nivel de glucosa) o glucagón (que lo aumenta) podría utilizarse como páncreas artificial y mejorar el tratamiento de la diabetes.
Otro ejemplo sería el cáncer. Un sistema biológico capaz de detectar alteraciones genéticas aberrantes y de reaccionar de manera adaptativa podría mejorar el diagnóstico y el tratamiento de distintos tipos de tumores.
Entre las posibles aplicaciones medioambientales, Ricard Solé cita como ejemplo la laguna de Venecia. “Es un sistema altamente contaminado en el que, siempre que se han intentado soluciones del tipo de poner barreras, el sistema las ha sorteado y el problema ha persistido. Pero con la biología sintética y la computación biológica podemos pensar en ofrecer soluciones adaptativas”, es decir, en crear microorganismos que se adapten a las condiciones de la laguna y las corrijan.
“Estamos empezando a especular, estas aplicaciones aún quedan lejos”, advierte Francesc Posas. “No querríamos crear expectativas prematuras en personas con diabetes o cáncer”.
Lo que han hecho hasta ahora los equipos de Solé y Posas no tendrá aplicaciones prácticas a corto plazo, advierten. Han ideado una estrategia para realizar computaciones con células y han demostrado cómo llevarla a la práctica con células de levadura.
Las células de sus experimentos actúan del mismo modo que las puertas lógicas en un circuito electrónico convencional. Por ejemplo, han diseñado un circuito celular en que hacen falta dos estímulos para producir una respuesta: es la puerta lógica AND (llamada así por la conjunción inglesa que significa y). Otro circuito en que hace falta uno de los dos estímulos: la puerta lógica OR (por la conjunción que significa o). Un tercer circuito en que hace falta que no se dé ninguno de los dos estímulos: la puerta lógica NOR (ni). Y así hasta completar todos los tipos de puertas lógicas posibles, según los resultados de la investigación presentados ayer en la edición electrónica de la revista Nature.
“La lógica matemática es la misma que en un circuito electrónico y la programación interna es idéntica”, explica Ricard Solé. “La diferencia es que en el circuito electrónico la señal es eléctrica y aquí la señal es bioquímica”.
Esta diferencia había frustrado hasta ahora todos los intentos de construir computadoras biológicas. En un circuito electrónico la señal entra por un punto a través de un cable y sale por otro punto a través de otro cable. Pero un sistema biológico no se puede cablear del mismo modo porque las señales bioquímicas pueden salir de cualquier célula y llegar a cualquier célula.
“Se nos ocurrió que, en lugar de crear un sistema de computación biológica que imitara la computación electrónica, como habían intentado antes otros investigadores, teníamos que abandonar la idea de que la señal de inicio tuviera que salir de una célula concreta”, explica Solé. “A partir del momento en que nos planteamos que cualquier célula pudiera dar la señal de inicio, vimos que todo se simplificaba”.
Para construir la computadora biológica, Francesc Posas y su equipo trabajaron con células de levadura. Las eligieron porque son uno de los organismos más fáciles de manipular en el laboratorio. Pero también porque son células eucariotas –es decir, con núcleo– igual que las humanas. “Las levaduras son más parecidas a nosotros de lo que solemos pensar”, explica Posas.
Les introdujeron distintos genes para que reaccionaran a señales del entorno y para que respondieran produciendo otras señales. Por ejemplo, algunas levaduras se manipularon para que respondieran a la presencia de sal. Otras, para que produjeran la proteína fluorescente GFP de modo que emitieran luz verde: si las células se encendían, significaba que la computación biológica funcionaba.
Según los resultados presentados en Nature, con tres tipos de células manipuladas genéticamente de maneras distintas es posible construir computadoras biológicas que realicen más de cien funciones distintas. Y con cuatro tipos de células, se pueden superar las doscientas funciones.
Los investigadores han demostrado además que las células se pueden reprogramar fácilmente. “Tal como hemos diseñado el sistema, que es modular, podemos hacer que, cambiando la señal externa, las células respondan de modo distinto”, explica Solé.
En los próximos meses, los investigadores de la UPF tienen previsto repetir los experimentos con células de mamífero.
Pero antes de que la computación biológica fructifique en productos comerciales, falta demostrar que estos cultivos celulares son estables a largo plazo. A diferencia de los circuitos electrónicos convencionales, los sistemas biológicos tienen una molesta tendencia a reproducirse y a morir. Por ahora, los investigadores han conseguido que el sistema sea estable durante nueve generaciones –lo que, en células de levadura, equivale a 36 horas–.
Para que esta nueva tecnología pueda aplicarse con fines médicos implantándola en el cuerpo humano, como proponen los investigadores para la diabetes, falta resolver también el problema del rechazo inmunitario.
El punto en que se encuentran las investigaciones sobre computación biológica es “comparable al punto en que se encontraba la electrónica cuando se inventó el transistor”, explica Posas. “Nadie sabía aún muy bien qué se podría llegar a hacer con el transistor, pero ya se sospechaba que iba a ser algo importante”.