Podem predir el comportament d’un organisme viu a través del funcionament de les seves proteïnes i gens de la mateixa manera que prediem el d’una màquina a través dels seus components? Es tracta d’una pregunta clau per a molts experts de la biologia sintètica, una disciplina que busca l’aplicació de l’enginyeria al disseny de nous organismes modificats genèticament. Científics del Laboratori de Sistemes Complexos del Departament de Ciències Experimentals i de la Salut (DCEXS) han formulat un model matemàtic que prediu l’expressió genètica d’un organisme que, lluny de seguir una lògica basada en les particularitats de la biologia, presenta un sorprenent paral·lelisme amb les lleis que regeixen els circuits elèctrics.

L'enginyeria genètica és una realitat

La biologia sintètica busca millorar les funcions dels organismes concedint-los capacitats que originalment no tenien. Darrere d’aquest corrent trobem projectes com la lluita contra la malària o la generació de noves fonts d’energia d’origen biològic. Els canvis en l’organisme són possibles gràcies a l’enginyeria genètica, que permet afegir a un organisme gens provinents d’altres espècies. La biologia sintètica, doncs, no sols busca introduir un nou gen, sinó també les instruccions necessàries que determinen quan i com realitzarà l’organisme la nova funció.

No obstant, quan s’introdueix un gen dins l’ADN d’una cèl·lula, es genera un estrés cel·lular que provoca una càrrega extra en l’expressió genètica de la cèl·lula i afecta el seu metabolisme. Aquesta càrrega fa que sigui impossible de predir el comportament d’un circuit genètic sencer simplement caracteritzant per separat els gens que el composen, sent aquesta un de les majors limitacions per al progrés de la biologia sintètica.

L’expressió genètica d’una cèl·lula depèn dels recursos que aquesta té al seu abast, així que si la demanda d’expressió genètica augmenta (per l’addició d’un nou gen, per exemple), però els recursos cel·lulars són els mateixos, el resultat final de l’expressió es veurà alterat. De la mateixa manera que a vegades encenem una estufa a casa nostra veiem que es ressent el llum d’una bombeta de l’habitació, en un organisme viu l’addició d’un gen pot afectar a l’expressió d’un altre, per molt poca relació que aparentment tinguin, ja que depenen de la mateixa font de recursos cel·lulars.

Més enllà d’un principi elèctric

La metàfora dels electrodomèstics dins de casa no és casual. L’equip liderat per Carlos Rodríguez i Javier Macía ha formulat un model matemàtic per predir la càrrega genètica que patirà una cèl·lula quan hi introduïm un gen determinat. El model matemàtic ha resultat en una fòrmula sorprenentment semblant a la de la llei d’Ohm que regeix els circuits elèctrics en sèrie.

Aquest model matemàtic ha estat validat experimentalment amb bacteris. Els autors d’aquest article científic confirmen doncs que un circuit genètic respon a l’increment de càrregues genètiques de la mateixa manera que un circuit elèctric connectat a una font d’energia respon a les càrregues elèctriques:

Aquesta fórmula i la seva validació demostren que la càrrega genètica és una propietat additiva que permet predir el comportament d’un sistema genètic complet, un esglaó fonamental en l’enginyeria genètica que fins ara no podia se assolit.

La genètica no és l’únic camp en el qual una llei d’Ohm adaptada sembla encaixar. Estudis previs demostren que altres circuits, com el sistema sanguini o la dissipació de la calor corporal, també es regeixen per fórmules matemàtiques similars a la llei d’Ohm. “La llei d’Ohm podria ser en realitat un principi general que va més enllà d’una metàfora elèctrica”, comenten els autors de la investigació. Aquest estudi suggereix l’existència d’una llei fonamental aplicable a tots aquells sistemes en els que existeix una competició pels recursos necessaris per portar a terme activitats de regulació.

Treball de referència: M. Carbonell-Ballestero, E. Garcia-Ramallo, R. Montañez, C. Rodriguez-Caso, J. Macía. Dealing with the genetic load in bacterial synthetic biology circuits: convergences with the Ohm's law. Nucleic Acids Research, Desembre 2015. DOI: 10.1093/nar/gkv1280