N.70 – Modelos de células artificiales y computacionales

Esta reseña comprende dos artículos referidos a la simulación del funcionamiento de las células humanas. En el primero (1) se describe una simulación computacional con un modelo cinético dinámico de una célula mínima con genoma reducido. El segundo (2) trata sobre células artificiales que cumplen funciones vitales análogas a las de las biológicas.

1.- Primer artículo: Simulación computacional con un modelo cinético dinámico de una célula mínima con genoma reducido (1.1.) (1.2.) (1.3.)

Un equipo de investigación liderado por la Universidad de Illinois Urbana-Champaign (EE UU) construyó un modelo cinético totalmente dinámico de célula completa (Whole Cell Model, WCM) de una célula mínima viva denominada JCVI-syn3A. Las células mínimas tienen genomas reducidos que contienen sólo los genes necesarios para replicar su ADN, crecer, dividirse y realizar otras funciones vitales.

La novedad del estudio aquí reseñado reside en el desarrollo de un modelo cinético tridimensional y totalmente dinámico de una célula viva mínima que replica lo que ocurre en la célula real. La simulación desarrollada mapea la ubicación precisa y las características químicas de miles de componentes celulares en 3D a escala atómica. Se puede determinar cuánto tiempo tardan estas moléculas en difundirse por la célula y encontrarse entre sí, qué tipo de reacciones químicas se producen cuando se encuentran y cuánta energía se necesita para cada paso.

Para construir la minicélula, investigadores del Instituto J. Craig Venter (JCVI) de La Jolla (California, EE.UU.) recurrieron a las células vivas más simples -los micoplasmas- un género de bacterias que parasitan a otros organismos. En estudios anteriores, investigadores del JCVI construyeron un genoma sintético que prescindía de genes no esenciales y cultivaron la célula en un entorno enriquecido con los nutrientes y factores necesarios para mantenerla viva. Si bien en el estudio aquí reseñado el equipo añadió algunos genes para mejorar la viabilidad de la célula, ésta es más simple que cualquier célula natural, por lo que resulta más sencillo modelarla en una computadora.

El modelo computacional de la célula tiene en cuenta las características físicas y químicas del ADN, los lípidos, los aminoácidos y la maquinaria de transcripción de genes, de traslación y de construcción de proteínas. También tiene en cuenta la forma en que cada componente se propaga a través de la célula, computando la energía necesaria para cada paso del ciclo vital celular. Para realizar las simulaciones se utilizaron unidades de procesamiento gráfico NVIDIA.

Las simulaciones permitieron comprender cómo la célula real equilibra las demandas de su metabolismo, los procesos genéticos y el crecimiento. Por ejemplo, el modelo reveló que la célula utilizaba la mayor parte de su energía para importar iones y moléculas esenciales a través de su membrana celular. También permitió calcular la vida útil natural de los ARN mensajeros (los planos genéticos para construir proteínas) y revelaron relaciones entre el ritmo de síntesis de lípidos y proteínas de membrana, los cambios en la superficie de ésta y el volumen celular.

Se prevé que este modelo y otros más complejos por desarrollar ayudarán a mejorar la comprensión de los principios y procesos fundamentales de la vida.

2.- Segundo artículo: Células artificiales cumplen funciones vitales análogas a las de las biológicas (2.1.) (2.2.)

Durante décadas se procuró crear células artificiales, estructuras microscópicas diseñadas para emular las características y el comportamiento de las células biológicas, Pero esos emuladores exhiben limitaciones sustanciales para replicar procesos celulares complejos, ya que no disponen de la maquinaria bioquímica que pueda activarse específicamente para controlar con precisión la materia biológica.

En el artículo aquí reseñado investigadores de las Universidades de Nueva York y de Chicago describen un nuevo emulador celular totalmente sintético que está más cerca de replicar la función de las células vivas. Se trata de microcápsulas (del tamaño de un glóbulo rojo) que pueden controlarse mediante estímulos variables simples (iluminación y pH) para capturar, concentrar, almacenar y entregar cargas útiles microscópicas genéricas. El diseño utiliza coloides huecos que actúan como imitadores de la membrana celular esférica, con un único microporo definido. Cuando se despliegan en mezclas de diferentes partículas, los imitadores de células pueden realizar tareas de transporte activo al capturar, concentrar, almacenar y entregar cargas microscópicas de forma autónoma. Estas células artificiales se fabrican con ingredientes mínimos y no incluyen materiales biológicos.

La estructura de las microcápsulas provee una sinergia que les permite ingerir, procesar y expulsar cuerpos extraños. Las microcápsulas fueron probadas en diferentes entornos: (a) en un experimento se suspendieron en agua, se activaron con luz y se las observó ingiriendo partículas o impurezas del agua (como en el videojuego Pacman), lo que ilustra una posible aplicación para limpiar contaminantes microscópicos del agua, y (b) en otro experimento mostraron que pueden ingerir la bacteria E. coli y atraparla dentro de la membrana, lo que potencialmente ofrece un nuevo método para combatir las bacterias en el cuerpo. Otra aplicación futura podría ser la administración de fármacos, dado que -cuando se activan- pueden liberar una sustancia precargada.