La medicina programable es el objetivo en la nueva investigación de biocircuitos

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Nspirement Staff
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Por Troy Oakes

En el mundo de la biología sintética, el desarrollo de componentes fundamentales como puertas lógicas y relojes genéticos ha permitido el diseño de circuitos con una complejidad creciente, incluida la capacidad de resolver problemas matemáticos, construir robots autónomos y jugar juegos interactivos.

Un equipo de investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia está utilizando ahora lo que han aprendido sobre los biocircuitos para sentar las bases del futuro de la medicina programable.

Con el aspecto de cualquier otro pequeño frasco de líquido transparente, estos medicamentos programables se comunicarían directamente con nuestros sistemas biológicos, respondiendo dinámicamente a la información que fluye a través de nuestros cuerpos para administrar automáticamente las dosis adecuadas donde y cuando se necesiten.

Estos medicamentos futuros podrían incluso vivir dentro de nosotros a lo largo de nuestra vida, combatiendo infecciones, detectando cáncer y otras enfermedades, convirtiéndose esencialmente en una extensión biológica terapéutica de nosotros mismos.

Looking like an innocuous vial of liquid, programmable drugs will be able to communicate directly with our biological systems. (Credit: Allison Carter, Georgia Tech)
Con el aspecto de un frasco inofensivo de líquido, los medicamentos programables podrán comunicarse directamente con nuestros sistemas biológicos. (Imagen: Allison Carter, Georgia Tech)

Aún falta

Estamos a años de eso, pero los conocimientos adquiridos a partir de la investigación en el laboratorio de Gabe Kwong nos acercan al desarrollo de ‘computadoras enzimáticas’- biocircuitos diseñados con componentes biológicos, con la capacidad de expandir y aumentar las funciones vitales.

“La visión a largo plazo es este concepto de inmunidad programable”, dijo Kwong, profesor asociado en el Departamento de Ingeniería Biomédica Wallace H. Coulter en Georgia Tech y Emory University, quien se asoció con el investigador Brandon Holt en el artículo, “Circuitos de Proteasa para procesar información biológica”, publicado en la revista Nature Communications.

La historia de este artículo comienza hace dos años. Holt dijo:

“NUESTRO LABORATORIO TIENE UNA RICA HISTORIA DE DESARROLLO DE DIAGNÓSTICOS BASADOS EN ENZIMAS; FINALMENTE EMPEZAMOS A PENSAR EN ESTOS SISTEMAS COMO COMPUTADORAS, LO QUE NOS LLEVÓ A DISEÑAR PUERTAS LÓGICAS SENCILLAS, COMO PUERTAS Y PUERTAS O PUERTAS.

ESTE PROYECTO CRECIÓ ORGÁNICAMENTE Y NOS DIMOS CUENTA QUE HABÍA OTROS DISPOSITIVOS QUE PODEMOS CONSTRUIR, COMO COMPARADORES Y CONVERTIDORES ANALÓGICO-DIGITALES.

EVENTUALMENTE ESTO LLEVÓ A LA IDEA DE LLEVAR UN CONVERTIDOR ANALÓGICO A DIGITAL Y USARLO PARA DIGITALIZAR LA ACTIVIDAD BACTERIAL”.

Finalmente, ensamblaron biocircuitos sin células que pueden combinarse con sangre infectada con bacterias, Holt, Ph.D. estudiante del Laboratorio de Inmunidad Sintética de Kwong y autor principal del artículo, dijo:

“CON LA IDEA BÁSICA DE QUE ESTO CUANTIFICARÍA LA INFECCIÓN BACTERIANA – EL NÚMERO DE BACTERIAS – LUEGO CALCULAR Y LIBERAR UNA DOSIS SELECTIVA DE FÁRMACO, ESENCIALMENTE EN TIEMPO REAL”.

Biocircuitos

Los investigadores buscaron construir biocircuitos que utilicen la actividad de las proteasas para procesar información biológica en un marco digital o analógico (las proteasas son enzimas que descomponen las proteínas en polipéptidos y aminoácidos más pequeños).

El equipo construyó su convertidor de analógico a digital con un dispositivo diminuto, hecho solo de materiales biológicos, que cambiaba las señales de bacterias a unos y ceros.

Luego, el circuito usó estos números para elegir la dosis adecuada de medicamentos necesarios para matar las bacterias sin sobredosis.

Looking like any other small vial of clear liquid, these programmable drugs would communicate directly with our biological systems, dynamically responding to the information flowing through our bodies to automatically deliver proper doses where and when they are needed. (Image: via <a href=" https://pixabay.com/photos/laboratory-analysis-chemistry-2815641/"> pixabay </a> / <a href=" hps://creavecommons.org/publicdomain/zero/1.0/deed.en"> CC0 1.0</a>)
Los medicamentos programables responderían dinámicamente a la información que fluye a través de nuestros cuerpos para administrar automáticamente las dosis adecuadas donde y cuando se necesiten. (Imagen: a través de pixabay / CC0 1.0)

Ese es el enfoque tradicional – biocircuitos que digitalizan señales moleculares, lo que permite que las operaciones se lleven a cabo mediante lógica Booleana.

La segunda parte del nuevo artículo del equipo adopta un enfoque más matizado, con un enfoque en circuitos analógicos en lugar de digitales.

“Tratamos la actividad de la proteasa como señales de varios valores entre uno y cero”, dijo Holt.

Otras ideas

Ese enfoque de múltiples valores llevó a otra idea y, en última instancia, a la imagen más amplia de los biocircuitos analógicos, agregó Holt:

“NOS TENTÓ ESTA IDEA DE LÓGICA DIFUSA, DONDE SE PUEDE PENSAR EN LO QUE PASA SI HAY UNA SEÑAL ENTRE CERO Y UNO”,

añadió.

“ES MÁS COMO UN CIRCUITO ANALÓGICO. ESTAMOS REALMENTE INSPIRADOS POR ESTE CONCEPTO, POR LO QUE DECIDIMOS CONSTRUIR BIO CIRCUITOS ANALÓGICOS CON LOS MISMOS MATERIALES BÁSICOS QUE ANTES: PROTEASAS Y PÉPTIDOS.

Y PODEMOS RESOLVER UN PROBLEMA DE ORÁCULO MATEMÁTICO, APRENDIENDO LA PARIDAD CON EL RUIDO”.

La capacidad de procesar información del entorno biomolecular con un marco analógico es fundamental, según Kwong, diciendo:

“LA LÓGICA DIFUSA ES INTERESANTE PORQUE LA BIOLOGÍA NO PIENSA EN CERO Y UNOS. LA BIOLOGÍA FUNCIONA COMO UN ESPECTRO.

ASÍ QUE, SI PIENSA EN LA ACTIVIDAD ENZIMÁTICA, NUNCA ES SOLO ENCENDIDO Y APAGADO. ESTÁ ACTIVADO Y LA ACTIVIDAD PUEDE ESTAR EN CUALQUIER LUGAR ENTRE CERO Y UNO.

POR LO QUE EL OBJETIVO A LARGO PLAZO ES RECONOCER QUE LA BIOLOGÍA NO ES TAN SIMPLE COMO UN CIRCUITO ELECTRÓNICO DIGITAL. REALMENTE NECESITAS ALGUNA CAPACIDAD PARA TRABAJAR CON SEÑALES ANALÓGICAS”.

Proporcionado por: Jerry Grillo, Georgia Tech [Nota: el contenido y la extensión de los materiales pueden editarse].

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