Ingeniería de patrones autoorganizados complejos en poblaciones celulares creciendo en superficie
Authors:   , Núñez Quijada Isaac Natán 
Published: November 2023

La organización espacial de tipos celulares coordinados desempeña un papel crítico en el funcionamiento de los sistemas biológicos y la aparición de propiedades emergentes de mayor nivel. Esta estructuración ocurre a través de procesos que operan a diferentes escalas, involucrando la integración de señales locales y globales que establecen una relación entre el nivel micro y macro. Las aproximaciones clásicas para comprender la organización multicelular están restringidas a la capacidad de análisis de los sistemas biológicos existentes en la naturaleza. Sin embargo, debido al elevado número de componentes y la complejidad de sus interacciones, resulta difícil establecer reglas generales que gobiernen este proceso. La biología sintética plantea un enfoque alternativo para abordar el estudio de la organización multicelular. Este enfoque busca explorar los principios y mecanismos fundamentales de manera constructiva (bottom-up) mediante la creación y estudio de sistemas artificiales mínimos y altamente trazables. En este trabajo se presenta el desarrollo de un sistema modular, tanto a nivel de hardware como biológico, para el estudio y control de la organización de estados en arreglos celulares que surge de la integración de procesos biológicos de interacción local y global. Para ello, se estableció el modelo de Ising como marco conceptual capaz de representar estos procesos, y la utilización de colonias de E.coli como arreglos celulares de fácil manipulación experimental y genética. Se desarrolló un sistema de ensamblaje de ADN eficiente, recursivo y combinatorial, así como una librería de recursos genéticos modulares para la elaboración de unidades transcripcionales, regulación optogenética e integración al genoma. Mediante estos recursos fue posible elaborar redes genéticas sintéticas (SGN) que capturan las propiedades del modelo de Ising. Estos diseños comprenden estados celulares de expresión genética biestable, que son determinados por efecto de un acoplamiento local basado en quorum sensing y la influencia de una señal externa mediada por regulación optogenética. Esta representación incluye de manera explícita el “campo externo” a través de una señal lumínica, que constituye un control de fácil manipulación sobre la organización del sistema. Con el fin de registrar la dinámica de estos arreglos celulares y efectuar su control genético mediado por luz, se desarrolló un equipo modular y especializado. Este demostró ser efectivo para recopilar datos de alta calidad y rendimiento sobre el crecimiento y la expresión genética de colonias bacterianas, así como en su regulación optogenética. El equipamiento diseñado es de código abierto y bajo costo, lo que facilita su adaptación y programación para llevar a cabo diversos regímenes experimentales según los requerimientos específicos de la investigación. En su conjunto, el sistema experimental desarrollado constituye una plataforma simple, asequible y versátil para estudiar fenómenos complejos de organización celular de manera trazable. Estos recursos permitieron avanzar en el diseño de un sistema biológico cuya autoorganización puede ser dirigida mediante el control de una señal de fácil manipulación. Se espera que esta plataforma facilite el estudio del modelo de Ising como formalismo para la ingeniería de patrones espaciales complejos, fundados en acoplamiento celular local y una señal de control externa homogénea. En términos prácticos, se espera que estas herramientas contribuyan a la comprensión de los principios que subyacen la organización multicelular y abran paso a nuevos paradigmas en el diseño de tejidos, órganos, biomateriales, biopelículas y bioprocesos