Circuit biològic sintètic

Els circuits biològics sintètics són una aplicació de la biologia sintètica en la qual parts dins d'una cèlula són dissenyades per a desenrollar funcions llògiques, imitant a aquelles observades en els circuits electrònics. Les aplicacions comprenen des de simplement induir la producció d'un element mesurable com la proteïna verda fluorescent a un circuit biològic natural, fins a l'implementació de sistemes completament nous que consistixquen de moltes parts.

La meta de la biologia sintètica és generar una varietat de parts o mòduls caracterisats i que es puguen millorar, en els quals qualsevol circuit biològic sintètic desijat pot ser fàcilment dissenyat i implementat. Estos circuits poden servir per a modificar funcions celulars, crear respostes celulars a condicions de l'ambient o per a influir en el creiximent celular. En implementar elements llògics controlables i racionals en els sistemes celulars, els investigadors poden usar als sistemes vius com "màquines" dissenyades per a portar a terme una àmplia gama de funcions útils.

Història

El primer circuit gènic natural que va ser estudiat a detall va ser l'operón lac. En estudis de creiximent diaúxico de E. coli en mijos en dos carbohidrats, Jacques Monod i Francois Jacob varen descobrir que I.coli consumix la glucosa de manera preferent ya que és més fàcil de processar, metabolizando la lactosa despuix. Varen descobrir que el mecanisme que controlava la funció de "canvi" metabòlic era un mecanisme de dos parts en el operón lac. Quan hi ha lactosa present en la cèlula l'enzima β-galactosidasa és produïda per a convertir-la en glucosa o galactosa. Quan hi ha absència de lactosa en la cèlula, el repressor lac inhibix la producció de la β-galactosidasa per a previndre processos ineficientes dins de la cèlula.

El operón lac és utilisat en l'indústria biotecnológica per a la producció de proteïnes recombinantes per a l'us terapèutic. El gen o gens per a produir una proteïna exógena es coloquen en un plásmido baix el control del promotor lac. Inicialment les cèlules es cultiven en un mig que no conté lactosa ni atres sucres, aixina que els nous gens no s'expressen. Quan les cèlules alcancen un cert punt en el seu creiximent, s'agrega IPTG. El IPTG és una molècula similar a la lactosa pero conté un enllaç en sofre que no és hidrolizable per lo que E. Coli no la pot digerir. S'utilisa per a activar o induir la producció de la nova proteïna. Una volta que les cèlules han segut induïdes, és difícil remoure el IPTG de la cèlula i per lo tant, és difícil detindre l'expressió.

Un primerenc eixemple d'un circuit biològic sintètic va ser publicat en l'any 2000 en Nature per Tim Gardner, Charles Cantor, i Jim Collins, els qui treballaven en l'Universitat de Boston. Varen ser capaços de crear un interruptor (switch) "biestable" en E. Coli. Este switch s'encén en calfar el cultiu de bactèries i s'apaga en l'adició de IPTG. Varen usar a la proteïna verda fluorescent com a reportera per al seu sistema.

En l'actualitat, els circuits sintètics són un àrea floreciente d'investigació en la biologia de sistemes en un número anual creixent de publicacions detallant circuits biològics sintètics. Hi ha hagut interés significatiu en fomentar l'educació i expandir el seu alcanç: La Competició Internacional de Màquines Genèticament Dissenyades (iGEM en anglés) administra la creació i estandardisació de parts (BioBricks) com a mig per a donar la possibilitat de crear els seus propis circuits sintètics a estudiants de preparatòria i pregrado.

Interés i metes

Existixen aplicacions tant immediates com de llarc determini per a l'us dels circuits biològics sintètics, incloent diferents aplicacions per a l'ingenieria metabòlica i la biologia sintètica. Algunes aplicacions demostrades exitosamente inclouen la producció farmacèutica i de combustible. No obstant, els métodos que involucren a l'introducció genètica directa no són efectius sense invocar als principis bàsics dels circuits celulars sintètics. Per eixemple, cada u d'eixos exitosos sistemes ampra un método per a introduir inducció o expressió 'completa' (de tot o res). Açò és un circuit biològic a on un sol repressor o promotor és introduït per a facilitar la creació d'un producte o bloquejar a una via que competix. No obstant, en el llimitat coneiximent de les rets celulars i la circuitería natural, l'implementació d'esquemes més robusts en control i resposta més precisos queda obstaculisat. És ahí a on yacer l'interés immediat en els circuits celulars sintètics.

L'alvanç en l'enteniment de la circuitería celular pot dur a noves i importants modificacions, com a cèlules que puguen respondre a algun estímul ambiental. Per eixemple, es podrien desenrollar cèlules que detecten afores tòxiques i reaccionen activant vies per a degradar a la toxina detectada. Per a desenrollar una cèlula aixina, és necessari crear un circuit celular sintètic complex que puga respondre de manera apropiada a un estímul donat.

Ya que els circuits celulars sintètics representen una forma de control sobre les activitats celulars, pot pensar-se que en un enteniment complet de les vies celulars poden crear-se cèlules "plug and play" en una circuitería genètica definida. Es creu que si es genera el conjunt de parts i ferramentes apropiat, es poden desenrollar cèlules sintètiques implementant únicament les vies necessàries per a la seua supervivència i reproducció. D'esta cèlula, pensada com una cèlula en el mínim genoma, un podria anar agregant parts per a crear una via ben definida en la circuitería sintètica apropiada per a obtindre un sistema de resposta efectiu. Pel método de construcció bàsica i a la base de senyes per a parts de circuitería que s'ha propost, es creu que es poden usar tècniques que emulen aquelles utilisades per a modelar circuits electrònics o de computadora per a redissenyar cèlules i fer models celulars per a fer solucions de problemes senzilles i predir comportaments i producció.