Circuitos genéticos sintéticos para explorar el comportamiento azaroso de las bacterias

¿Por qué los seres vivos escogen una determinada manera de funcionar y no otra? ¿Por qué las células basan su funcionamiento en determinados circuitos genéticos y no en otros? Para contestar a estas preguntas, el investigador Jordi García Ojalvo ha diseñado por primera vez un circuito genético sintético que funciona igual que un circuito genético natural y los ha comparado. El estudio, realizado en bacterias de la especie Bacillus subtilis, ocupa la portada de la revista científica Cell del 30 de octubre. En la investigación han participado científicos del grupo de Gurol Suel, del Centro Médico Southwestern en Dallas, y Michael Elowitz, del Instituto Tecnológico de California, en Estados Unidos.

Estos experimentos son investigación básica, pero pueden ayudar a entender cómo funcionan los seres vivos y cómo los desajustes celulares dan lugar a todo tipo de enfermedades, desde las enfermedades autoinmunes hasta el cáncer, explica García-Ojalvo, catedrático de Física Aplicada de la Universidad Politécnica de Cataluña (en Terrassa). Su grupo, en colaboración con los científicos estadounidenses, investiga cómo funcionan los organismos vivos, las células, y por qué éstas tienen unos circuitos genéticos que han evolucionado de una manera y no de otra. "Hemos de entender cómo funcionan los circuitos genéticos para descubrir por qué lo hacen mal cuando falta un gen o no actúa bien una proteína", afirma García-Ojalvo. Lo explica con una analogía: "Es como cuando una radio no funciona bien, y hay que encontrar qué componentes fallan; conocer el diseño de la radio nos hace la tarea mucho más fácil".

Hace un par de años, este grupo de investigadores descubrió que el circuito genético de este tipo de células muy sencillas (procariotas) les permitía sobrevivir en condiciones adversas como la falta de alimento. Este circuito genético se activa para que las células puedan absorber nutrientes alternativos, como lo son trozos de ADN que la bacteria se puede encontrar en el medio extracelular. Pero quedaba por resolver un misterio: el diseño de estos circuitos no era el que habitualmente usa la naturaleza cuando una célula tiene que activarse. Es un diseño "muy extraño", dice García-Ojalvo: "¿Por qué la evolución ha escogido este circuito genético no estandarizado, que no era el que se podría esperar?", se pregunta.

Para tratar de encontrar la respuesta, diseñaron el circuito genético que cualquier científico hubiera esperado encontrar y lo hicieron de forma sintética mediante herramientas de ingeniería genética: cortando y pegando el ADN siguiendo el diseño deseado, en un tubo de ensayo. Luego sustituyeron el circuito de ADN propio de la célula real por el nuevo circuito artificial. Durante los experimentos, compararon células con ambos tipos de circuitos y observaron que tanto las células con el circuito genético natural como las células con el circuito sintético funcionaban de la misma manera, es decir, buscaban alimento alternativo. Pero de la comparación surgió otra sorpresa: mientras que las células sintéticas se alimentaban con los trozos de ADN en periodos casi fijos de unas 10 horas, las células naturales lo hacían de forma aleatoria.

Teniendo en cuenta que la falta de alimento es algo que no pueden predecir las células, como tampoco los seres vivos más complejos, resulta que las células naturales funcionan de forma más eficiente con esta incertidumbre que las células con el circuito sintético. Esto es, equilibran el máximo tiempo dedicado a nutrirse con el tiempo necesario para poderse reproducir. Esta explicación se puede extrapolar a organismos más complejos como las células eucariotas, dice García-Ojalvo. "Sabemos que estos últimos también se enfrentan a ambientes aleatorios, y es de esperar que también ellos luchen contra la incertidumbre generando aleatoriedad, pero desconocemos cuáles son los circuitos genéticos que generan esa aleatoriedad", añade.