Dimecres de xocolata amb xurros i circuits genètics



El dimecres passat em vaig apropar pel Parc de Recerca Biomèdica de Barcelona  (PRBB) a veure uns dels meus millors amics de la facultat. El PRBB? Sí, aquell edifici marró que té forma de ferradura i que té la fassana feta de llistons de fusta. Situat al passeig que ve de la Barceloneta, entre les Torres Mapfre i l’Hospital del Mar. Allà mateix, en un dels pisos, asseguts en uns comodíssims sofàs, tot fent una xocolata calenta i mirant el mar, varem començar a parlar de com ens anaven les vides.
 

  
Fa cosa d’un any ja em va comentar que faria el PhD en un grup de recerca on treballaven amb circuits genètics. En sentir-ho vaig començar a pensar en circuits elèctrics, interaccions cel·lulars, xarxes biològiques, i no sé que més.
Però no va ser fins que el vaig tenir davant el passat dimecres que em va venir la curiositat. A tothom li agrada saber explicar als altres a què es dedica un amic. Allò de “doncs...mmm...no m’enrecordo”, “algo... de circuits”, “nosequé d’uns gens”, i mil excuses més ja no tenen lloc entre nosaltres.

Mitja horeta vam estar intercanviant opinions, preguntes i respostes sobre inserció de plàsmids, algun acudit i fet graciós, i després de despedir-nos vaig decidir anar a la biblioteca a buscar informació sobre els enigmàtics circuits genètics.
No us passa mai que molts cops us envaeix la imperiosa necessitat de saber més sobre un tema en concret i has de buscar si o si informació a través de totes les fonts disponibles de que disposa l’home modern, i fer el que anomeno un “curs intensiu”?
Doncs, vaig sortir de la biblioteca amb 7 llibres! No tots de la mateixa temàtica però això és una altre tema.
Sóc prou conscient que per actualitzar-te en temes científics és millor anar al PubMed i llegir algun review, però els llibres mai perdran aquell factor de síntesi i didàctica que tant anhela un. Deixant de banda llibres-tostons, que tots sabem quins són. Un llibre té accés instantani, pots tancar-lo, obrir-lo, escriure-hi, tacar-lo, trencar-lo, cremar-lo, i mil coses més que es pot fer amb paper. A més, els llibres, tenen les pàgines més o menys gastades, indicant que un estudiant o algun curiós ha estat passant pàgines, llegint-les...o no, o fent el que sigui que fes.
I PubMed, que he de dir del PubMed? És bàsic, però segur que més d’un ha desesperat intentant buscar aquell paper bàsic, i resulta que quan finalment el trobes l’autor ha decidit que havies de pagar! Rates!
L’opció d’anar a la biblioteca va ser més entretinguda, la veritat.    

Així doncs, sota un dia fred però solejat i envaït per fam de saber em vaig dirigir amb la maleta plena de llibres a una de les terrassetes més properes. Allà em vaig asseure cara al Sol (quin mal han fet els franquistes!), vaig demanar una altra xocolata calenta, però aquest cop amb xurros acabats de fer i em vaig posar a llegir.

Resulta que els circuits genètics estan dintre les tecnologies que utilitza la Biologia Sintètica. Si, si, la Biologia avarca tants aspectes que és necessari fer-hi divisions. Al final tot és Bio.
Així doncs, la Biologia Sintètica busca la creació de nous microorganismes programables, és a dir, es fabrica i es dissenyen components i sistemes biològics nous o que ja existien, i fan que es comportin com petits ordinadors.

Cap a l’any 1964 els investigadors F. Jacob i J. Monod de l’Institut Pasteur van descobrir el que seria un dels circuit genètics més coneguts. Es tracta del famós circuit de la digestió de la lactosa en E. coli, on un gen regulador anomenat repressor es troba normalment activat, mantenint així el metabolisme de la digestió de la lactosa inactiu, sempre que no hi hagi lactosa en el medi. En presència de lactosa aquest repressor es desactiva i la resta de gens poden intervenir en la digestió de la lactosa1.


Els circuits genètics formats per gens i els seus reguladors es comporten de forma equivalent a circuits electrònics realitzant operacions boleanes o lògiques del tipus verdader=1 i fals=0 (Fig.1).





Fig.1 Operadors genètics bàsics (unitats d’un circuit genètic). La concentració d’un RNAm particular representa una senyal lògica o boleana. En el primer cas, l’RNAm que funciona com a senyal d’entrada o input no hi és, per tant la cèl·lula transcriu el gen a un RNAm de sortida o output. En el segon cas, l’RNAm input que està present es tradueix a una proteïna que s’uneix de forma específica al promotor del gen i frena la transcripció d’RNAm output.
Font: Weiss R, et al. Genetic circuit building blocks for cellullar computation, communications, and signal processing. Natural computing. 2003; 2 (1):47-84.

 
Hi ha varis tipus d’operadors lògics que s’utilitzen en circuits elèctrics:

Un exemple de circuit genètic senzill, el “repressilator2 va ser creat per investigadors de l’Institut Tecnològic de Califòrnia (Caltech) i la Universitat Rockefeller de Nova York, i es va aconseguir introduir en E. coli. El circuit està format per  tres operadors NOT o invertidors que corresponen a tres gens diferents. Un quart gen indicador s’activa en presència de la proteïna activada del gen 3, donant lloc a una senyal fluorescent. Per tant, les bactèries que tinguin aquest circuit genètic tindran la capacitat d’emetre espurnes de forma consecutiva ja que l’activació d’aquests gens oscil·la entre els estats d’ON i OFF de forma cíclica a mida que el senyal es propaga pel circuit. (Fig. 2) Aquests tipus de circuits s’anomenen oscil·ladors i serveixen per sincronitzar compartiments del circuit com si fossin rellotges.
 
Fig. 2. Operador NOT (invertidor) i exemple d’u circuit genètic format per 3 invertidors.
Font: Gibbs W. Synthetic life. Scinetific American. 2004; April :74-81.
Un altre exemple d’oscil·lador és el “synchronator” creat per estudiants de la divisió d’Enginyeria Biològica de l’InstitutTecnològic de Massachussets (MIT), capaç d’emetre espurnes amb major freqüència, i aconseguir una major sincronització3.
Posteriors modificacions van permetre dissenyar un oscil·lador que també funcionava com un interruptor genètic, fent possible que un circuit s’apagui.
Actualment en el MIT, entre altres llocs, s’està treballant en la programació de cèl·lules per mitjà de senyals químiques o lluminoses, que serien detectades per les bactèries ja dissenyades mitjançant Biologia Sintètica. Les cèl·lules podrien comunicar-se entre elles i així poder actuar de forma coordinada. Per aconseguir això s’estan dissenyant bactèries com E. coli amb proteïnes quorum-sensing, que permetrien emetre i rebre senyals quan la concentració d’un compost arribés a una concentració determinada3.

Per acabar cal dir que el tema més candent actualment en circuits genètics son els BioBricks (Fig 3). El terme va ser creat per la ja comentada divisió d’enginyeria genètica del MIT per definir la unitat modular bàsica del DNA que realitza una funció simple. Un BioBrick és, per tant, un fragment de DNA que codifica per una part genètica o biològica i que, a la vegada, pot ser empalmat amb qualsevol altre BioBrick per formar un mòdul més complexe. D’aquesta forma es poden dissenyar nous sistemes genètics sense necessitat de conèixer  a priori quin serà el funcionament exacte del sistema. Per tant, seria possible modificar el comportament d’un sistema biològic per medi de la substitució de diferents parts genètiques intercanviables. De fet, s’han identificat més de 1.800 d’aquestes parts genètiques i fa uns anys que estan sent sintetitzades o assemblades, cosa que obre un ventall molt ampli per futures investigacions.

Fig. 3. Exemple de construcció de parts genètiques estandaritzades (BioBricks).
Font: Addressable bacterial communication. Berkeley Engineering Dean’s Society.
En aquest punt m’havia acabat la xocolata amb xurros feia ja un bon ratet i començava a fer fresca. Vaig agafar el mòbil, i li vaig enviar un whatsapp al meu amic:
Jo: -Molen els BioBricks, no?
Amic: -Com ho saps?
Jo: -Pseee!

Vaig pujar a la bici i em vaig atrinxerar a casa, lluny del fred.
Per cert, a dia d’avui, fa més d’una setmana que hauria d’haver tornat els llibres. Multiplicant 4 dies de penalització per llibre i per dia, ja podeu fer els comptes.
Després d'això puc dir que si qualsevol dia esteu avorrits, podeu anar a veure algun colega, interessar-vos pel que fa, buscar informació i llegirte-la tot fent una xocolata, una cerveseta, un tè, o el que es vulgui.



1. Willson C, et al. Non-inducible mutants of the regulator gen in the “lactose” system of Escherichia coli. J Mol Biol. 1964; 8:582-592.
2. Elowitz M B, Leible S. A synthetic oscillatory network of transcriptional regulators. Nature. 2000; 403:335-8.
3. Feber D. Synthetic Biology: Microbes Made to Order. Science, 2004; 303 (5655): 185-161.
López M, Romero G, Mallorquín P, Vega M. Biología Sintética. Informe de Vigilancia Tecnológica. Genoma España. 2006
Manualde BioBricks link: http://ginkgobioworks.com/support/BioBrick_Assembly_Manual.pdf

Etiquetes de comentaris: ,