Cadascun de nosaltres comencem sent una sola cèl·lula que dona lloc a bilions de cèl·lules que componen el nostre cos. Tot i que totes les cèl·lules tenen exactament la mateixa informació genètica, cadascuna realitza una funció especialitzada: les neurones governen els nostres pensaments i comportaments, per exemple, mentre que les cèl·lules immunitàries aprenen a reconèixer i combatre malalties, les cèl·lules de la pell ens protegeixen del món exterior, les musculars permeten el moviment, i així successivament.

Tots aquests tipus de cèl·lules tenen un origen comú, les cèl·lules mare pluripotents. Plenes de possibilitats, les cèl·lules mare són com una pissarra en blanc que pot convertir-se en qualsevol tipus de cèl·lula, de la mateixa manera que un nen es converteix en adult i tria una carrera i un camí en la vida. La forma en què les cèl·lules trien les seves carreres depèn de l'acció coordinada de múltiples gens en el nostre genoma, en els anomenats circuits genètics.

Ara, investigadors del laboratori de Michael Elowitz a l'Institut Tecnològic de Califòrnia als EUA (Caltech), juntament amb Jordi Garcia Ojalvo, catedràtic de Biologia de Sistemes de la UPF, han desenvolupat al laboratori un circuit genètic sintètic que demostra com les cèl·lules poden triar el seu destí. La recerca es descriu en un article publicat a la revista Science.

Els investigadors demostren com un conjunt relativament petit de components i interaccions entre proteïnes és suficient per a establir i controlar una gran quantitat d'estats cel·lulars.

Utilitzant aquest circuit, al qual van denominar MultiFate, els investigadors van demostrar com un conjunt relativament petit de components i interaccions entre proteïnes és suficient per a establir i controlar una gran quantitat d'estats cel·lulars a través d'una propietat anomenada "multiestabilitat". MultiFate permet als científics dissenyar una sola cèl·lula viva que pot canviar a diferents estats, cadascun dels quals és estable per si sol, però és capaç de realitzar una funció diferent, de manera anàloga al que succeeix en els nostres propis cossos.

Els experiments, realitzats per Ronghui Zhu, mostren que un circuit artificial de gens pot funcionar dins cèl·lules cultivades al laboratori sense interferir amb els processos cel·lulars normals. El circuit MultiFate consta de tres gens, cadascun dels quals codifica un factor de transcripció (una proteïna que activa l'expressió dels gens). Cadascuna d'aquestes tres proteïnes activa la seva pròpia expressió al seu propi ADN. Crucialment, els tres tipus de proteïnes també poden adherir-se entre elles per a bloquejar l'activitat de les altres.

Com va predir el model matemàtic de l'equip, aquest tipus de circuit permet que una cèl·lula existeixi en múltiples estats diferents, fins a set estats en els experiments realitzats en aquest treball. Un cop la cèl·lula està en un d'aquests estats, roman en ell tret que els investigadors la pertorbin deliberadament. Pel fet que les cèl·lules estan tancades en els seus destins, una cèl·lula passa el seu destí (color) a les seves cèl·lules filles a mesura que creix i es divideix.

A més, a diferència dels circuits cel·lulars naturals, que poden ser difícils de controlar, els investigadors van dissenyar MultiFate per a poder induir a la cèl·lula a canviar entre els set estats usant fàrmacs. 

"Aquest treball mostra com dissenyar i construir circuits sintètics des de zero pot proporcionar informació sobre fenòmens biològics fonamentals”, diu Garcia Ojalvo. MultiFate està inspirat en les propietats dels circuits de control del destí cel·lular natural, però està dissenyat des de zero. Segons Elowitz, aquesta recerca “no només ajuda a explicar com les cèl·lules poden tenir tants destins, també podria proporcionar una base per a estendre teràpies cel·lulars, aprofitant múltiples tipus de cèl·lules per a realitzar funcions terapèutiques més complexes que les cèl·lules naturals podrien oferir".

Article de referència:

Zhu R et al. Synthetic multistability in mammalian cells. Science, January 2022. DOI: 10.1126/science.abg9765.