¿Qué pasaría si pudiéramos diseñar estructuras vivientes similares a LEGO que pueden autorreplicarse y moverse, y pueden programarse para crecer y autoensamblarse en cualquier forma de destino deseada?
Un equipo de investigación interdisciplinario, dirigido por el profesor del MIT Jörn Dunkel e Ingmar Riedel-Kruse de la Universidad de Arizona, ha desarrollado una plataforma de teoría experimental que se acerca un paso más a este objetivo. Utilizando bacterias modificadas genéticamente y modelos matemáticos, pudieron programar sistemas bacterianos para que crecieran en estructuras objetivo bidimensionales arbitrarias.
El laboratorio de Riedel-Kruse creó una caja de herramientas de bioingeniería que les permite controlar las propiedades de adhesión de célula a célula de las células bacterianas móviles. Las bacterias genéticamente modificadas desarrollan ciertas moléculas en sus paredes celulares que actúan como estaciones de acoplamiento para células asociadas adecuadas. Solo las células que tienen moléculas coincidentes pueden adherirse entre sí, mientras que las que tienen moléculas que no coinciden se deslizan entre sí. Después de sembrar una pequeña cantidad de bacterias en diferentes posiciones en una superficie de nutrientes 2D, las células crecerán, se dividirán y se moverán. Cuando dos poblaciones de células con moléculas de adhesión coincidentes chocan, forman una interfaz sólida visible cuya posición y forma están determinadas por las posiciones iniciales de siembra y las concentraciones de células.
Usando su versátil caja de herramientas de bioingeniería, los investigadores querían crear patrones de objetivos complejos. Para lograr este objetivo, el equipo necesitaba comprender: ¿Cuántos tipos de células diferentes se requieren para realizar patrones de interfaz arbitrarios? ¿Cómo habría que diseñar las reglas de interacción mutua? ¿Cuáles son las condiciones de siembra correctas para realizar las estructuras 2D deseadas?
Para responder a estas preguntas, Dunkel y su estudiante de doctorado Dominic Skinner, ahora becario postdoctoral NSF-Simons en la Universidad Northwestern, buscaron formular un modelo matemático que les permitiera simular el crecimiento y la dinámica de los enjambres bacterianos, y predecir la formación de los patrones de interfaz.
“Hacer experimentos de prueba y error es muy costoso y lleva mucho tiempo”, dice Dunkel. “Entonces, Dominic desarrolló e implementó un modelo que podía predecir el resultado esperado en un par de minutos”.
Skinner compara las bacterias programadas con los LEGO vivos. “El laboratorio de Ingmar está creando los componentes básicos biológicos y nosotros estamos generando el manual con nuestros modelos”, dice. “Su laboratorio coloca a las bacterias en los lugares correctos: pululan, se dividen y construyen colectivamente la forma objetivo deseada”.
Dunkel agrega: “Estos sistemas experimentales únicos hacen posible explorar una serie de preguntas biológicas fundamentales: ¿Cuántos tipos de células se necesitan para desarrollar ciertos patrones? ¿Cuánta información debe codificarse en el ADN para lograr un cierto nivel de complejidad estructural? ¿Qué controla las formas emergentes? La buena concordancia entre las predicciones del experimento y del modelo nos permite estudiar estas preguntas usando simulaciones por computadora a un costo muy bajo”.
Más allá de esto, la investigación sugiere varias aplicaciones prácticas directas en el diseño de biomateriales.
Su artículo de investigación «La lógica de adhesión de 4 bits permite el patrón de interfaz multicelular universal» aparece en la portada de Nature .
“En nuestro artículo, proporcionamos realizaciones de prueba de concepto de láminas elásticas de crecimiento propio y estructuras de canales que pueden transportar gotas de líquido a los lugares deseados”, dice Dunkel. “Otra aplicación son los biosensores; básicamente, las bacterias escriben un mensaje legible por humanos cuando detectan una molécula en su entorno”.
Como próximo paso, el equipo planea hacer crecer estructuras tridimensionales y agregar funcionalidades adicionales a las bacterias, como la capacidad de producir ciertos químicos en los lugares deseados.
El primer autor de este trabajo es Honesty Kim; otros coautores son David Glass, Alexander Hamby y Bradey Stuart. Todos están o estuvieron con el laboratorio Riedel-Kruse.
