¿Qué pasaría si pudiéramos programar las células vivas para que hagan lo que nos gustaría que hicieran en el cuerpo? Tener ese control, un objetivo principal de la biología sintética, podría permitir el desarrollo de terapias basadas en células que algún día podrían reemplazarmedicamentos tradicionales para enfermedades como el cáncer. Sin embargo, para alcanzar este objetivo a largo plazo, los científicos primero deben aprender a programar muchas de las cosas clave que hacen las células, como comunicarse entre sí, cambiar su destino para convertirse en una célula en particularescriba y recuerde las señales químicas que han encontrado.
Ahora un equipo de investigadores dirigido por los biólogos de Caltech Michael Elowitz, Lacramioara Bintu y John Yong PhD '15 han dado un paso importante para poder programar ese tipo de memoria celular utilizando herramientas que las células han desarrollado de forma natural.Los enfoques de biología sintética con películas de lapso de tiempo que rastrean el comportamiento de las células individuales, determinaron cómo cuatro miembros de una clase de proteínas conocidas como reguladores de la cromatina establecen y controlan la capacidad de una célula para mantener un estado particular de expresión génica, para recordarlo.- Incluso una vez que la señal que estableció ese estado se haya ido.
Los investigadores informaron sus hallazgos en la edición del 12 de febrero de 2016 de la revista ciencia .
"Tomamos algunos de los reguladores de cromatina más importantes para una prueba de manejo para comprender no solo cómo se usan naturalmente, sino también qué capacidades especiales proporciona cada uno", dice Elowitz, profesor de biología y bioingeniería en Caltech y uninvestigador del Instituto Médico Howard Hughes HHMI. "Estamos jugando con ellos para averiguar qué podemos hacer que hagan por nosotros".
En lugar de depender de una sola proteína para programar todos los "recuerdos" de la expresión génica, las células animales usan cientos de reguladores de cromatina diferentes. Estas proteínas hacen básicamente lo mismo: modificar una región de ADN para alterar la expresión génica.plantea la pregunta, ¿por qué la célula necesita todos estos reguladores de cromatina diferentes? O hay mucha redundancia incorporada en el sistema o cada regulador realmente hace algo único. Y si este último es el caso, a los biólogos sintéticos les gustaría saber cómoes mejor usar estos reguladores como herramientas: cómo seleccionar la proteína ideal para lograr un cierto efecto o un tipo específico de memoria celular.
Buscando respuestas, los investigadores recurrieron a un enfoque que Elowitz llama "construir para comprender". En lugar de comenzar con un proceso complejo y tratar de separar sus componentes, los investigadores construyen el sistema biológico en las células de abajo hacia arriba, dándose la oportunidad de ver lo que sucede con cada cambio que introducen.
En este caso, eso significaba pegar diferentes reguladores de cromatina, cuatro proteínas silenciadoras de genes, en una sección específica de ADN y ver cómo se comportaba cada uno. Para hacer eso, los investigadores diseñaron células para que agregar una molécula pequeñahacer que uno de los reguladores silenciadores de genes se una al ADN cerca de un gen en particular que codifica una proteína fluorescente. Al rastrear la fluorescencia en células individuales, los investigadores pudieron determinar fácilmente si el regulador había apagado el gen. Los investigadores también pudieron liberarregulador del ADN y ver cuánto tiempo el gen recordó su efecto.
Aunque hay cientos de reguladores de cromatina, se pueden clasificar en aproximadamente una docena de clases más amplias. Para este estudio, los investigadores probaron reguladores de cuatro clases bioquímicamente diversas.
"Probamos una variedad para ver si diferentes le dan diferentes tipos de comportamiento", explica Bintu. "Resulta que sí"
Durante un mes a la vez, los investigadores usaron microscopía o citometría de flujo para observar las células vivas, usando el software de rastreo de células que escribieron y películas de lapso de tiempo para ver crecer y dividirse células individuales. En algunos casos, después de un reguladorfue liberado, las células y sus células hijas permanecieron oscuras durante días y luego se volvieron a encender, lo que indica que recordaron la modificación de forma transitoria. En otros casos, las células nunca se volvieron a encender, lo que indica más memoria permanente
Después de la modificación, los genes siempre se encontraban en uno de los tres estados: "despierto" y produciendo proteínas activamente, "dormido" e inactivo pero capaz de despertarse en cuestión de días o "en coma" e incapaz de estardespertado dentro de los 30 días. Dentro de una célula individual, los genes siempre estaban completamente activados o desactivados.
Eso llevó a los investigadores al sorprendente hallazgo de que los reguladores no controlan el nivel o grado de expresión de un gen en particular en una célula individual, sino más bien cuántas células en una población tienen ese gen activado o desactivado.
"Usted está controlando la probabilidad de que algo esté encendido o apagado", dice Elowitz. "Creemos que esto es algo muy útil en general en un organismo multicelular, que en muchos casos, el organismo puede querer decirle a las células,"Solo quiero que el 30 por ciento de ustedes diferencien. No todos necesitan hacerlo". Este sistema de regulación de cromatina parece estar listo para pedidos como esos ".
Además, los investigadores encontraron que el tipo de memoria impartida por cada uno de los cuatro reguladores de cromatina era diferente. Uno producía memoria permanente, apagaba el gen y ponía en coma una fracción de células durante los 30 días completos. Uno producíamemoria a corto plazo, con las células que se despiertan inmediatamente. "Lo realmente interesante que encontramos es que algunos de los reguladores proporcionan este tipo de memoria híbrida donde algunas de las células se despiertan mientras una fracción de las células permanece en coma profundo".dice Bintu. "Cuántos están en coma depende de cuánto tiempo dio la señal, cuánto tiempo permaneció conectado el regulador de cromatina".
En adelante, el grupo planea estudiar reguladores de cromatina adicionales de la misma manera, desarrollando una mejor idea de las muchas formas en que se usan en la célula y también cómo podrían funcionar en combinación. A más largo plazo, quieren poner estosproteínas junto con otros componentes celulares y comienzan a programar comportamientos de desarrollo más complejos en circuitos sintéticos.
"Este es un paso hacia la realización de esta visión emergente de las terapias programables basadas en células", dice Elowitz. "Pero también estamos respondiendo preguntas de investigación más básicas. Las vemos como dos caras de la misma moneda. No vamos a irpara poder programar las células de manera efectiva hasta que comprendamos qué capacidades proporcionan sus vías principales "
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Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de California . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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