Clula artificial

Una clula artificial es la mnima clula de partes artificiales, adems de una tecnologa emergente.
Hasta hace poco, generalmente se haba creado simplemente un paquete que poda realizar muchas de
las funciones que las clulas desempean, como latraduccin y transcripcin de protenas y generacin
de ATP, pero sin operar como una clula. Algunos cientficos, entre ellos Daniel Hammer, han encontrado
una manera de crear clulas artificiales que pueden trasladarse a una parte determinada del cuerpo y
liberar un medicamento cuando se le indique.1
La primera clula artificial fue creada por Thomas Chang2 en la Universidad McGill. Una pared o membrana
celular est hecha de polymersomes, un tipo de vesculas. La hemoglobina est situada en el centro. A
finales de la dcada de los sesenta Thomas Chang descubri que las clulas artificiales podan llevar a las
enzimas que podan corregir ciertos trastornos metablicos, y tambin desarroll una clula artificial
rellena de carbn que poda curar el envenenamiento con drogas. 3 4
El 20 de mayo de 2010, el Instituto J. Craig Venter anunci haber creado la primera clula sinttica,
totalmente controlada por las instrucciones genticas ideadas por el hombre, capaz de sobrevivir y
reproducirse por s misma.5

El objeto de estos expertos es crear un modelo simple de clula con una funcin especfica mediante una
serie de ingredientes bsicos. Esta clula deber ser capaz de moverse y de cambiar su forma sin
ningn tipo de influencia externa.

Cmo est construida est clula artificial? Se basa en una carcasa de membrana, dos tipos
diferentes de biomolculas y algn tipo de combustible. Todo ello, a modo de vescula, est hecho de una
membrana de doble capa de lpidos, similar a las de las membranas celulares naturales. Estas vesculas se
llenan con microtbulos, componentes tubulares de citoesqueleto y molculas motoras.

Con nuestro modelo biomolecular sinttico hemos creado una nueva opcin para el desarrollo de
modelos celulares mnimos. Es ideal para el aumento de la complejidad de forma modular con el fin de
reconstruir los procesos celulares como la migracin celular o la divisin celular de una manera controlada.
Que el sistema creado artificialmente pueda describirse exhaustivamente desde una perspectiva
fsica nos da la esperanza de poder descubrir los principios bsicos que hay tras las
deformaciones celulares mltiples, afirma Andreas Bausch, coautor del estudio.

C LULAS ARTIFICIALES
C LULAS ARTIFICIALES
C IENTFICOS

FINANCIADOS POR NASA INVESTIGAN MTODOS PARA DISEAR CLULAS QUE

PUEDAN SUMINISTRAR SANGRE DESHIDRATADA Y MEDICINAS DE LA ERA ESPACIAL

Mayo 29, 2003: Los glbulos rojos son excelentes transportadores de oxgeno. Desdichadamente, eso es lo nico que
saben hacer. Con un poco de ayuda, sin embargo, podran resultar mucho ms tiles.

Derecha: Glbulos rojos. Crdito: Universidad Estatal de Iowa

Imagnese, por ejemplo, que los glbulos rojos pudiesen transportar todo
tipo de cosas -- medicamentos adems de oxgeno. Imagnese que la
sangre pudiese al mismo tiempo deshidratarse y almacenarse durante
meses o incluso aos. Los mdicos podran transportarla a los campos de
batalla -- o al espacio exterior si hablamos de astronautas. Imagnese que
la sangre pudiese usarse para hacer transfusiones sin ningn riesgo de
infeccin del SIDA o cualquier otra enfermedad.
Un grupo de investigadores universitarios est ayudando a
NASA a desarrollar una clula artificial que pueda hacer
todo esto, y an ms.
Los Bioingenieros Dan Hammer y Dennis Discher de la
Universidad de Pennsylvania, y Frank Bates de la Universidad de Minnesota, han creado un tipo de
Antese aqu molcula especial -- un polmero -- que puede fabricar algo muy parecido a una membrana celular, y han
para recibir podido convertir estas membranas en clulas artificiales, o Polimerosomas, que son ms fuertes y ms
nuestro servicio fcilmente manejables que las clulas reales.
de ENTREGA Un polmero es simplemente una cadena de molculas ms pequeas que se han entrelazado. La
INMEDIATA celulosa en las plantas y la lana en las ovejas, son polmeros naturales. Podemos encontrar polmeros
DE NOTICIAS fabricados por el hombre en muchas formas, desde medias de nylon hasta repuestos para coches o
CIENTFICAS relleno para muebles.
Los polmeros empleados en los Polimerosomas son ms grandes y pesados que los de las molculas naturales de las
membranas celulares: tienen un peso molecular por encima de 3.600, comparado con un peso aproximado de 750 para
los fosfolpidos, las molculas cido grasas empleadas por las clulas.
Las molculas artificiales pueden fabricarse con una importante caracterstica, que tambin comparten muchas
molculas naturales; pueden ser transformadas en anfiflicas mediante ingeniera, de modo que un extremo busque agua
y el otro la evite. En una solucin acuosa, este tipo de molculas se une espontneamente formando una doble capa con
sus extremos hidrfobos (que no toleran el agua) en el medio y sus extremos hidrflos (que toleran el agua) hacia el
exterior.
Arriba: Molculas de fosfolpidos se unen entre si por los extremos
formando una membrana de doble capa. [ms informacin]
"Eso fue lo que aprendimos", dice Hammer. "Nos dimos cuenta de que no
hay nada que evite que un polmero forme una capa doble, tal y como lo hara un fosfolpido".
Las polimerosomas, sin embargo, cuentan con una ventaja enorme: pueden ser controladas. Uniendo molculas
diferentes, los investigadores estn aprendiendo a manipular sus caractersticas, consiguiendo que hagan cosas que las
clulas biolgicas simplemente no pueden hacer.
Por ejemplo, las uniones de las Polimerosomas son fuertes. A pesar de que ciertamente, los fosfolpidos de las
membranas naturales se unen entre s, no lo hacen firmemente. Se mueven por los alrededores del interior de la
membrana celular y, cuando desaparece la presin del ambiente acuoso, se separan.
Izquierda: Polimerosomas gigantes (2-20 mm) en una solucin salina tamponada con fosfato -- vistas con un
microscopio de contraste de fases (solucin interna de sacarosa 300 mM).
Crdito: Universidad de Pennsylvania.
Por otra parte, las Polimerosomas pueden disearse de modo que se unan
unas con otras con mucha firmeza. Sus tomos pueden enlazarse no slo
dentro de un polmero simple, sino tambin con los tomos de los polmeros
cercanos. A esto se le conoce como enlace cruzado, lo cual aumenta
enormemente la resistencia de las clulas artificiales. (Son estos enlaces
cruzados los que refuerzan los rizos de las permanentes del saln de
belleza lo suficiente como para que mantengan la forma que les da el
peinado). De hecho, gracias a los enlaces cruzados y al incremento en la
resistencia de los polmeros, resulta mil veces ms difcil quebrar a una
Polimerosoma que a una clula fosfolpida.
"Probablemente la principal ventaja desde el punto de vista de NASA", dice
Hammer, "es que una vez que las Polimerosomas han establecido sus
enlaces cruzados, las clulas se hacen lo bastante resistentes como para
permitir su deshidratacin hasta convertirse en polvo". Se les puede almacenar fcilmente durante un perodo prolongado
y sin ocupar demasiado espacio. En otras palabras, es la forma perfecta de transportar sangre adicional para las
emergencias mdicas que puedan surgir en los viajes a travs de las grandes distancias del espacio exterior.
En realidad este fue el uso que l y sus colegas imaginaron inicialmente, afirma Hammer. Pero pronto se dieron cuenta
de que las Polimerosomas podras utilizarse tambin para el transporte de otras cosas.
Hammer explica: Es fcil encapsular varias clases de molculas mediante Polimerosomas; tales clulas artificiales
podran ser enviadas a travs del cuerpo. Debido a que su membrana exterior consiste en molculas que no interactan

con las clulas, las Polimerosomas son invisibles a los ojos del sistema inmunolgico. Podran viajar sin obstculos a
travs del torrente sanguneo.
Mediante biongeniera, se podran modificar las Polimerosomas de modo que algunos tipos de clulas reaccionasen a su
contacto. Hammer, Discher y sus colegas pueden agregar ciertas molculas a sus Polimerosomas para que stas se
acoplen a las clulas que se seleccionen como objetivo. Normalmente, dice Hammer, las Polmerosomas flotan a travs
del torrente sanguneo, durante aproximadamente 18 horas antes de alcanzar su destino y acoplarse a las clulas
deseadas.
Derecha: Esta secuencia de fotos microscpicas muestra como una
Polimerosoma fuertemente unida mediante enlaces cruzados, puede ser
deshidratada (para, por ejemplo, facilitar su almacenamiento y transporte) y
rehidratada de nuevo. Crdito: Universidad de Pennsylvania.
La palabra clave es "destino". Mediante las Polimerosomas, los mdicos no
tendran que inundar el cuerpo entero con medicamentos. Se les podran marcar
objetivos, de modo que fuesen enviados slo a los lugares donde fuesen
necesarios. Medicamentos contra la artritis, por ejemplo, podran enviarse a los
dedos hinchados del paciente, sin el riesgo de causar reacciones en otras
partes. Las Polimerosomas podran transportar compuestos farmacuticos
anticancergenos directamente hasta el tumor. Podran incorporar agentes
marcadores -- por ejemplo partculas de xido de hierro -- que pudiesen ser
detectadas por monitores de resonancia magntica. Si estas partculas se
encapsularan en Polimerosomas diseadas para adherirse a las clulas
cancerosas, esto permitira la localizacin de pequeas clulas tumorales que
hubiesen migrado a travs del cuerpo.
Tericamente, se podran disear Polimerosomas para que transportasen tanto al agente marcador que localizara el
problema, como al medicamento que lo tratara.
Izquierda: El Prof. Dan Hammer dirige el Departamento de Bioingeniera de la Universidad de Pennsylvania, un centro
lder en la investigacin de Polimerosomas. [ms informacin]
Usar materiales fabricados por el hombre para producir clulas artificiales es un "concepto altamente
novedoso". "Creo que NASA vio esto como un material extraordinario, y queran saber lo lejos que
llegaran sus implicaciones". Bajo ciertas condiciones, dice, las Polimerosomas adoptan formas que
se asemejan a las formas que toman las clulas biolgicas al, por ejemplo, dividirse.
Hammer y sus colegas continan explorando las posibilidades. Estn experimentando con diferentes
tipos de polmeros, con el fin de averiguar de qu manera las caractersticas aprovechables de las
clulas artificiales podran expandirse.
Hammer cree que las aplicaciones ms importantes de las Polimerosomas estn an por conocerse.
Reaccin en cadena de la polimerasa
Gel de agarosa teido con bromuro de etidio que muestra varios productos de PCR obtenidos mediante
distintoscebadores, con un bajo nivel de especificidad.

La reaccin en cadena de la polimerasa, conocida como PCR por sus siglas en ingls
(polymerase chain reaction), es una tcnica de biologa molecular desarrollada en 1986 por Kary
Mullis,1 cuyo objetivo es obtener un gran nmero de copias de un fragmento de ADN particular, partiendo
de un mnimo; en teora basta partir de una nica copia de ese fragmento original, o molde.
Esta tcnica sirve para amplificar un fragmento de ADN; su utilidad es que tras la amplificacin resulta
mucho ms fcil identificar con una muy alta probabilidad, virus o bacterias causantes de
una enfermedad, identificar personas (cadveres) o hacer investigacin cientfica sobre el ADN
amplificado. Estos usos derivados de la amplificacin han hecho que se convierta en una tcnica muy
extendida, con el consiguiente abaratamiento del equipo necesario para llevarla a cabo.
Genoma humano
El genoma humano es el genoma del Homo sapiens, es decir, la secuencia de ADN contenida en 23 pares
de cromosomas en el ncleo de cada clula humana diploide.
De los 23 pares, 22 son cromosomas autosmicos y un par determinante del sexo (dos cromosomas X en
mujeres y uno X y uno Y en varones). El genoma haploide (es decir, con una sola representacin de cada
par) tiene una longitud total aproximada de 3200 millones de pares de bases de ADN (3200 Mb) que
contienen unos 20 000-25 000 genes1 (las estimaciones ms recientes apuntan a unos 20 500). De las
3200 Mb unas 2950 Mb corresponden a eucromatina y unas 250 Mb a heterocromatina. El Proyecto
Genoma Humano produjo una secuencia de referencia del genoma humano eucromtico, usado en todo el
mundo en las ciencias biomdicas.
La secuencia de ADN que conforma el genoma humano contiene codificada la informacin necesaria para
la expresin, altamente coordinada y adaptable al ambiente, del proteoma humano, es decir, del conjunto
de las protenas del ser humano. Las protenas, y no el ADN, son las principales biomolculas efectoras;
poseen funciones estructurales, enzimticas, metablicas, reguladoras, sealizadoras..., organizndose en
enormes redes funcionales de interacciones. En definitiva, el proteoma fundamenta la
particularmorfologa y funcionalidad de cada clula. Asimismo, la organizacin estructural y funcional de
las distintas clulas conforma cada tejido y cada rgano, y, finalmente, el organismo vivo en su conjunto.
As, el genoma humano contiene la informacin bsica necesaria para el desarrollo fsico de un ser
humano completo.
El genoma humano presenta una densidad de genes muy inferior a la que inicialmente se haba predicho,
con slo en torno al 1.5 %2 de su longitud compuesta por exones codificantes de protenas. Un 70 % est
compuesto por ADN extragnico y un 30 % por secuencias relacionadas con genes. Del total de ADN
extragnico, aproximadamente un 70 % corresponde a repeticiones dispersas, de manera que, ms o
menos, la mitad del genoma humano corresponde a secuencias repetitivas de ADN. Por su parte, del total
de ADN relacionado con genes se estima que el 95 % corresponde a ADN no codificante: pseudogenes,
fragmentos de genes, intrones o secuencias UTR, entre otros.
En el genoma humano se detectan ms de 280 000 elementos reguladores, aproximadamente un total de
7Mb de secuencia, que se originaron por medio de inserciones de elementos mviles. Estas regiones
reguladoras se conservan en elementos no exnicos (CNEEs),fueron nombrados como: SINE, LINE, LTR. Se
sabe que al menos entre un 11 % y un 20 % de estas secuencias reguladoras de genes, que estn
conservadas entre especies, fue formado por elementos mviles.
El proyecto genoma humano, que se inici en el ao 1990, tuvo como propsito descifrar el cdigo
gentico contenido en los 23 pares de cromosomas, en su totalidad. En 2005 se dio por finalizado este
estudio llegando a secuenciarse aproximadamente 28 000 genes.
La funcin de la gran mayora de las bases del genoma humano es desconocida. El Proyecto
ENCODE (acrnimo de ENCyclopedia Of DNA Elements) ha trazado regiones de transcripcin, asociacin a
factores de transcripcin, estructura de la cromatina y modificacin de las histonas. Estos datos han
permitido asignar funciones bioqumicas para el 80 % del genoma, principalmente, fuera de los exones
codificantes de protenas. El proyecto ENCODE proporciona nuevos conocimientos sobre la organizacin y
la regulacin de los genes y el genoma, y un recurso importante para el estudio de la biologa humana y
las enfermedades.