Los investigadores han desarrollado una técnica novedosa para proteger los delicados circuitos de genes sintéticos de la alteración causada por el crecimiento celular, un desafío común en la ingeniería genética. El enfoque aprovecha un proceso natural llamado separación de fases líquido-líquido para crear pequeños compartimentos protectores dentro de las células, salvaguardando las modificaciones diseñadas y garantizando el funcionamiento consistente de los programas genéticos sintéticos.
El problema: dilución y falla del circuito
Cuando los ingenieros genéticos diseñan y ensamblan circuitos de genes sintéticos para programar células con nuevas funciones, surge una cuestión crítica a medida que las células crecen y se dividen. Las moléculas de señalización clave (componentes esenciales de estos circuitos) pueden diluirse, provocando inestabilidad y, en última instancia, provocando que los programas sintéticos fallen. Esta dilución impide que los circuitos mantengan su comportamiento programado.
Una solución inspirada en la naturaleza
Xiaojun Tian, profesor asociado de la Facultad de Ingeniería de Sistemas Biológicos y de Salud de la Universidad Estatal de Arizona, y su equipo han ideado una solución que imita las propias estrategias de organización de la naturaleza. Al diseñar células para que formen pequeños compartimentos en forma de gotas, conocidos como condensados transcripcionales, alrededor de genes clave, protegen eficazmente estos genes de los efectos disruptivos del crecimiento celular.
Cómo funciona la separación de fases líquido-líquido
Las células utilizan naturalmente la separación de fases líquido-líquido para organizar su entorno interno, creando compartimentos para reacciones bioquímicas esenciales sin necesidad de membranas. El equipo reconoció el potencial de aprovechar este proceso para proteger los circuitos de genes sintéticos. Estas gotitas microscópicas actúan como “zonas seguras”, impidiendo que las moléculas clave sean eliminadas a medida que la célula crece.
“Cuando intentamos programar células para que realicen tareas útiles, como diagnóstico o producción terapéutica, los programas genéticos a menudo fallan porque el crecimiento celular diluye las moléculas clave necesarias para mantenerlas en funcionamiento”, explica Tian. “Abordamos este desafío aprovechando la propia estrategia de separación de fases de la celda para proteger los sistemas de ingeniería”.
Un cambio en los enfoques de la biología sintética
Tradicionalmente, la biología sintética se ha centrado en la manipulación de secuencias de ADN o bucles de retroalimentación regulatoria para mantener la funcionalidad de los sistemas diseñados. El equipo de Tian ha introducido un principio de diseño diferente, basado en la física, que funciona con la organización existente de las moléculas dentro de las células.
“Descubrimos que al formar pequeñas gotas llamadas condensados transcripcionales alrededor de los genes, podemos proteger los programas genéticos y mantenerlos estables incluso mientras las células crecen”, añade Wenwei Zheng, profesor de química. “Es una solución física simple que evita la dilución y mantiene los circuitos funcionando de manera confiable”.
Prueba visual: gotas en acción
Las imágenes microscópicas del estudio muestran grupos brillantes de estos condensados transcripcionales dentro de las células, lo que proporciona una confirmación visual de que estas gotitas pueden formarse precisamente donde se necesitan para estabilizar la actividad genética.
La experiencia colaborativa impulsa la innovación
Este avance es el resultado de un esfuerzo interdisciplinario, aprovechando la experiencia de la biología sintética, la modelización y la ingeniería metabólica. El proyecto fue impulsado por David Nielsen, profesor de ingeniería química, quien enfatizó las aplicaciones prácticas de este hallazgo: “Es emocionante ver cómo estas gotas pueden usarse para aumentar los rendimientos de la bioproducción”.
Aplicaciones futuras y potencial
Los investigadores ven un gran potencial para esta técnica. El grupo de Tian ya está trabajando en la ingeniería de diferentes tipos de condensados para controlar genes específicos, creando lo que describen como “células inteligentes” que pueden adaptarse y funcionar a largo plazo.
“Los investigadores en biología sintética que luchan con circuitos inestables verán esto como una nueva forma de hacer que sus sistemas sean más confiables”, dice Zheng. “Los ingenieros de bioprocesos que quieran un rendimiento constante también pueden utilizarlo. Para los biofísicos como yo, es emocionante ver principios físicos como la separación de fases convertidos en herramientas prácticas de ingeniería”.
Este trabajo refleja un cambio significativo en la biología sintética. Aprovechando los principios de organización natural de la célula, los investigadores pueden crear sistemas que sean potentes e inherentemente estables, abriendo nuevas vías para fábricas de células estables y futuras aplicaciones médicas. Los próximos pasos implican demostrar las aplicaciones de la técnica en implementaciones más diversas para evaluar la resiliencia y la escalabilidad, aunque el potencial para una aplicación más amplia se considera alto.
