Ingenieros biológicos programan células humanas para almacenar historias complejas en su ADN

memoria-genomicaLos ingenieros biológicos del MIT, han ideado una manera de grabar historias complejas en el ADN de las células humanas, lo que les permite almacenar y recuperar recuerdos de eventos pasados. Este sistema podría ayudar a los científicos a estudiar cómo se diferencian las células durante el desarrollo embrionario; experimentar las condiciones ambientales; y someterse a cambios genéticos que conducen a la enfermedad.

En el MIT ingenieros biológicos han ideado una manera de grabar historias complejas en el ADN de las células humanas, lo que les permite recuperar “memorias” de los eventos pasados, como la inflamación, mediante la secuenciación del ADN. 

Este sistema de almacenamiento de memoria analógica – el primero que puede registrar la duración y / o intensidad de los fenómenos en las células humanas – también podría ayudar a los científicos a estudiar cómo las células se diferencian en varios tejidos durante el desarrollo embrionario, cómo las células experimentan condiciones ambientales, y la forma en que se someten cambios genéticos que conducen a la enfermedad.

“Para permitir una mejor comprensión de la biología, hemos diseñado las células humanas que son capaces de informar sobre su propia historia basada en grabadores codificados genéticamente”, dice Timothy Lu, profesor asociado de ingeniería eléctrica y ciencia computacional, y de ingeniería biológica.

Esta tecnología debería ofrecer una visión de cómo la regulación de genes y otros eventos dentro de las células contribuyen a la enfermedad y a el desarrollo, añade.

Lu, que lidera  el Grupo de Investigación de Biología Sintética en el Laboratorio de Electrónica del MIT, es el autor principal del estudio, que aparece en la edición en línea de Ciencias. Los autores principales del artículo son Samuel Perli SM ’10, PhD’15 y el estudiante graduado de Cheryl Cui.

Memoria analógica

Muchos científicos, incluyendo Lu, han ideado formas de grabar la información digital en las células vivas. El uso de enzimas llamadas recombinasas, programan las células para traslocar secciones de su ADN cuando se produce un evento en particular, tal como la exposición a una sustancia química particular. Sin embargo, este método sólo se revela si se ha producido el evento, no la cantidad de exposición que hubo o cuánto tiempo duró.

Lu y otros investigadores han ideado formas de grabar previamente ese tipo de información analógica en bacterias, pero hasta ahora, nadie lo había logrado en las células humanas.

El nuevo enfoque MIT se basa en el sistema de edición de genoma conocido como CRISPR, que consiste en una enzima de corte de ADN llamada Cas9 y una cadena de ARN corto que guía la enzima hacia un área específica del genoma, dirigiendo a la Cas9 en dónde hacer su corte.

Dirigido por esta cadena guía de ARN auto-orientado, la Cas9 corta el ADN que codifica la hebra guía, generando una mutación que se convierte en un registro permanente del evento

crisp

CRISPR es ampliamente utilizado para la edición de genes, pero el equipo del MIT decidió adaptarlo para el almacenamiento de la memoria. En las bacterias, donde CRISPR evolucionó originalmente, el sistema registra las infecciones virales anteriores para que las células puedan reconocer y luchar contra los virus invasores.

“Queríamos adaptar el sistema de CRISPR para almacenar información en el genoma humano,” dice Perli.

Cuando se utiliza CRISPR para editar genes, los investigadores crean cadenas de secuencias de guía de ARN que coinciden con una secuencia diana o blanco en el genoma del organismo huésped. Para codificar los recuerdos, el equipo del MIT tomó un enfoque diferente: Ellos diseñaron cadenas de secuencias de guía que reconocen el ADN que codifica la misma hebra guía, creando lo que ellos llaman “auto-orientación ARN guía.”

Dirigido por esta cadena guía de ARN auto-orientado, la Cas9 corta el ADN que codifica la hebra guía, generando una mutación que se convierte en un registro permanente del evento. 

Esa secuencia de ADN, una vez mutado, genera una nueva hebra de ARN guía que dirige la Cas9 al ADN recién mutado, lo que permite que se acumulen mutaciones adicionales, siempre y cuando la Cas9 esté activa o el ARN guía de auto-orientación se exprese.

Mediante el uso de sensores para eventos biológicos específicos para regular la actividad de la Cas9  o del ARN guía de auto-orientación, este sistema permite mutaciones progresivas que se acumulan como una función de los impactos biológicos, proporcionando de este modo una memoria genómicamente codificada

ADN-CRISPR

Por ejemplo, los investigadores diseñaron un circuito genómico que sólo expresa la Cas9 en presencia de una molécula diana, tal como el TNF-alfa, que es producida por las células inmunes durante la inflamación.

Siempre que el TNF-alfa esté presente, la Cas9 cortará el ADN que codifica la secuencia guía, la generando las mutaciones. Cuanto mayor sea la exposición a TNF-alfa o cuanto mayor es la concentración de TNF-alfa, mayor cantidad de mutaciones se acumulan en la secuencia de ADN.

Al secuenciar el ADN más adelante, los investigadores pueden determinar la cantidad de exposición que existió.

“Este es el comportamiento analógico enriquecedor que estamos buscando, en donde, a medida que aumenta la cantidad o duración de TNF-alfa, se obtiene aumentos en la cantidad de mutaciones”, dice Perli.

“Por otra parte, hemos querido poner a prueba nuestro sistema en animales vivos. Ser capaces de grabar y extraer información de las células vivas en los ratones puede ayudar a responder cuestiones biológicas significativas”, afirma Cui.

Los investigadores demostraron que el sistema es capaz de grabar la inflamación en ratones. La mayoría de las mutaciones resultan en la supresión de una parte de la secuencia de ADN, por lo que los investigadores diseñaron sus hebras de ARN de guía para ser más largos que el habitual fragmento de 20 nucleótidos, por lo que no serán demasiado cortos como para funcionar.

Las secuencias de 40 nucleótidos son más que suficientes para grabar durante un mes de tiempo, y los investigadores también han diseñado secuencias de 70 nucleótidos que podrían ser utilizados para grabar señales biológicas durante más tiempo aún.

Seguimiento de desarrollo y la enfermedad

Los investigadores también demostraron que podían diseñar células para detectar y registrar más de una señal de impacto biológico, mediante la producción de múltiples hebras de ARN guías de auto-selección en la misma célula. Cada guía de ARN está relacionada a un impacto específico y sólo se produce cuando el impacto está presente. En este estudio, los investigadores demostraron que podían registrar y dejar grabada la presencia de tanto el antibiótico doxiciclina y una molécula conocida como IPTG.

Actualmente este método es más probable que se utilicen para estudios de células, tejidos u órganos artificiales, dicen los investigadores. Al programar las células para grabar múltiples eventos, los científicos podrían usar este sistema para controlar la inflamación o infección, o para monitorizar la progresión del cáncer. También podría ser útil para el seguimiento de cómo las células se especializan en diferentes tejidos durante el desarrollo de los animales a partir de embriones a los adultos.

“Con esta tecnología se podría tener diferentes marcaciones y registros de memoria que dejen grabando las exposiciones a diferentes señales, y se podrían así ver como cada una de esas señales fueron recibidas por la célula para ese período de tiempo o por cuanta intensidad”, dice Perli. “De esa manera usted podría estar más cerca de la comprensión de lo que está pasando en el desarrollo.”

El artículo en inglés fue Traducido por: Jorge López Calderón

Fuente del estudio científico:

Samuel D. Perli, Cheryl H. Cui, Timothy K. Lu grabación genética continua con la auto-orientación CRISPR-cas en las células humanas Ciencia, agosto de 2016 DOI:..10.1126 / science.aag0511

FUENTE: https://www.sciencedaily.com/releases/2016/08/160818150004.htm

 

 

Anuncios

Deja tu comentario

Por favor, inicia sesión con uno de estos métodos para publicar tu comentario:

Logo de WordPress.com

Estás comentando usando tu cuenta de WordPress.com. Cerrar sesión / Cambiar )

Imagen de Twitter

Estás comentando usando tu cuenta de Twitter. Cerrar sesión / Cambiar )

Foto de Facebook

Estás comentando usando tu cuenta de Facebook. Cerrar sesión / Cambiar )

Google+ photo

Estás comentando usando tu cuenta de Google+. Cerrar sesión / Cambiar )

Conectando a %s