Los biosensores de ingeniería sintética, que pueden diseñarse para detectar y señalar la presencia de compuestos específicos de moléculas pequeñas, ya han desbloqueado muchas aplicaciones potenciales mediante el aprovechamiento de células bacterianas como E. coli para detectar toxinas o permitir la bioproducción de productos valiosos, incluidos combustibles, plásticos y productos farmacéuticos. Hasta el momento, sin embargo, los científicos han tenido el desafío de aprovechar los biosensores para su uso en células eucariotas, que comprenden levadura, plantas y animales, debido a las estrategias-hasta la fecha están limitadas en las moléculas que pueden detectar y las señales que pueden producir.
Pero ahora, un equipo de investigadores del Instituto Wyss de Ingeniería Biológicamente Inspirada en la Universidad de Harvard y la Escuela de Medicina de Harvard HMS dirigido por George Church, Ph.D., ha desarrollado un nuevo método para diseñar una amplia gama de biosensores paradetectar y señalar virtualmente cualquier molécula deseada usando células eucariotas vivas Church, quien es miembro de la Facultad Wyss Core y Robert Winthrop Professor of Genetics en HMS, y su equipo informaron sus hallazgos en la revista eLife .
Para probar su nuevo método, el equipo diseñó experimentalmente células de levadura, plantas y mamíferos para que contengan dominios de unión a ligandos LBD personalizables, que son receptores de hormonas y otros tipos de moléculas pequeñas. Estos LBD personalizados están diseñados para quesolo se une y "detecta" una molécula específica de interés, como la hormona humana progesterona o la droga digoxina. Una vez que el LBD se une a la molécula objetivo, se puede programar un componente secundario de "señal" fusionado con el LBD para emitir fluorescencia o regularexpresión génica: los componentes de este biosensor, el LBD en combinación con la señal fluorescente o genética, se degradan y desaparecen si no se identifica la molécula objetivo.
Sorprendentemente, el equipo diseñó con éxito las plantas de Arabidopsis para que actúen como biosensores botánicos multicelulares, que contienen un LBD personalizado para reconocer la droga digoxina y una proteína de señal luminiscente para emitir luz cuando se detecta la digoxina. Estos biosensores de Arabidopsis emitieron fluorescencia cuando las plantasfueron expuestos a digoxina, lo que demuestra que organismos enteros pueden encenderse visualmente para detectar señales de una molécula arbitraria.
"Al igual que muchos organismos eucariotas, las plantas están llenas de diversas hormonas que hacen que sea difícil detectar y responder a una hormona de interés específica", dijo Dan Mandell, Ph.D., coautor del estudio y tecnólogo del Instituto Wyss.Development Fellow y Postdoctoral Research Fellow en HMS. "Pero utilizando nuestra estrategia, las plantas de Arabidopsis que diseñamos exhibieron un aumento de 50 veces en la luminiscencia en presencia de digoxina, muy fácil de visualizar, lo que podría inspirar aplicaciones futuras interesantes que involucran árboles o plantasque detectan contaminantes ambientales dañinos o toxinas y emiten un indicador visible "
"Los biosensores que pueden informarle sobre su entorno son extremadamente útiles para una amplia gama de aplicaciones", dijo Church. "Puede imaginar que si se usaran en plantas agrícolas, pueden informarle sobre la condición del suelo, la presenciade toxinas o plagas que las están molestando "
El equipo no solo demostró su nueva metodología en plantas sino que también describió su eficacia para convertir células de levadura y mamíferos en biosensores precisos, que algún día podrían aprovecharse para su uso en industrias que dependen de la productividad de la levadura o el ganado, o para su usocomo sensores médicos. En general, el método es extremadamente sintonizable y portátil, lo que significa que puede usarse en una amplia variedad de organismos para detectar una amplia gama de moléculas pequeñas.
Una capacidad adicional de la nueva metodología de biodetección es la capacidad de conectarlo a reguladores de genes en lugar de proteínas fluorescentes. Dichos biosensores podrían regular con precisión la transcripción de genes para mejorar los rendimientos de moléculas pequeñas en organismos utilizados para la bioproducción industrial. Levadura, por ejemplo, por lo tanto, podría diseñarse para producir una molécula deseada a partir de una materia prima renovable, y además programarse para autoidentificar a los individuos más eficientes dentro de una población de productores para que solo la levadura de mayor producción sobreviva. De esta manera, una población de organismos apalancadospara la bioproducción de productos farmacéuticos u otras moléculas valiosas podría evolucionar rápidamente para convertirse en extremadamente eficiente y productivo. El equipo de hecho utilizó esta estrategia para desarrollar levadura que pueda producir la hormona progesterona con un rendimiento varias veces mayor.
Los biosensores también podrían tener un impacto directo en la salud humana, dado que el equipo también utilizó su método para regular estrictamente el mecanismo de edición de genes CRISPR-Cas9 dentro de las células humanas vivas, un paso adelante hacia la prevención de cambios no deseados en el genoma durante el genterapia.
"Estas nuevas capacidades de reprogramación desarrolladas por el equipo de la Iglesia abren un reino completamente nuevo donde los organismos ordinarios pueden transformarse en dispositivos celulares vivos extraordinarios que pueden detectar señales específicas y producir respuestas apropiadas, ya sea mejorando la producción de biocombustibles o secretando un agente terapéutico cuandolas células detectan inflamación o infección. Es otra gran capacidad habilitadora que indudablemente avanzará en todo el campo de la biología sintética ", dijo el Director Fundador del Instituto Wyss, Donald Ingber, MD, Ph.D., quien es el Profesor de Biología Vascular Judah Folkman enHMS y el Programa de Biología Vascular en el Boston Children's Hospital, así como Profesor de Bioingeniería en la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard.
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Materiales proporcionado por Instituto Wyss de Ingeniería Biológicamente Inspirada en Harvard . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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