Los ingenieros biológicos del MIT han ideado una forma de registrar historias complejas en el ADN de las células humanas, lo que les permite recuperar "recuerdos" de eventos pasados, como la inflamación, mediante la secuenciación del ADN.
Este sistema de almacenamiento de memoria analógico, el primero que puede registrar la duración y / o la intensidad de los eventos 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 las condiciones ambientales y cómosufren cambios genéticos que conducen a enfermedades.
"Para permitir una comprensión más profunda de la biología, diseñamos células humanas que pueden informar sobre su propia historia basándose en grabadoras codificadas genéticamente", dice Timothy Lu, profesor asociado de ingeniería eléctrica e informática y de ingeniería biológica.Esta tecnología debería ofrecer información sobre cómo la regulación genética y otros eventos dentro de las células contribuyen a la enfermedad y el desarrollo, agrega.
Lu, quien dirige el Grupo de Biología Sintética en el Laboratorio de Investigación de Electrónica del MIT, es el autor principal del nuevo estudio, que aparece en la edición en línea del 18 de agosto de ciencia . Los autores principales del artículo son Samuel Perli SM '10, PhD '15 y la estudiante de posgrado Cheryl Cui.
memoria analógica
Muchos científicos, incluido Lu, han ideado formas de registrar información digital en células vivas. Usando enzimas llamadas recombinasas, programan células para voltear secciones de su ADN cuando ocurre un evento en particular, como la exposición a una sustancia química en particular. Sin embargo, esoEl método revela solo si el evento ocurrió, no cuánta exposición hubo o cuánto duró.
Lu y otros investigadores han ideado previamente formas de registrar ese tipo de información analógica en bacterias, pero hasta ahora, nadie lo ha logrado en células humanas.
El nuevo enfoque del MIT se basa en el sistema de edición del genoma conocido como CRISPR, que consiste en una enzima de corte de ADN llamada Cas9 y una cadena corta de ARN que guía la enzima a un área específica del genoma, dirigiendo Cas9 hacia dónde producirsu corte.
CRISPR se usa ampliamente para la edición de genes, pero el equipo del MIT decidió adaptarlo para el almacenamiento de memoria. En las bacterias, donde CRISPR evolucionó originalmente, el sistema registra infecciones virales pasadas para que las células puedan reconocer y combatir los virus invasores.
"Queríamos adaptar el sistema CRISPR para almacenar información en el genoma humano", dice Perli.
Al usar CRISPR para editar genes, los investigadores crean cadenas guía de ARN que coinciden con una secuencia objetivo en el genoma del organismo huésped. Para codificar los recuerdos, el equipo del MIT adoptó un enfoque diferente: diseñaron cadenas guía que reconocen el ADN que codifica la mismahebra guía, creando lo que ellos llaman "ARN guía autodirigido".
Liderado por esta cadena de ARN guía autodirigida, Cas9 corta el ADN que codifica la cadena guía, generando una mutación que se convierte en un registro permanente del evento. Esa secuencia de ADN, una vez mutada, genera una nueva cadena de ARN guía que dirige a Cas9 ael ADN recién mutado, lo que permite que se acumulen más mutaciones siempre que Cas9 esté activo o se exprese el ARN guía autodirigido.
Mediante el uso de sensores para eventos biológicos específicos para regular Cas9 o la actividad del ARN guía autodirigido, este sistema permite mutaciones progresivas que se acumulan en función de esas entradas biológicas, proporcionando así memoria codificada genómicamente.
Por ejemplo, los investigadores diseñaron un circuito genético que solo expresa Cas9 en presencia de una molécula diana, como el TNF-alfa, que es producido por las células inmunes durante la inflamación. Siempre que el TNF-alfa está presente, Cas9 corta el ADN que codificala secuencia guía, generando mutaciones. Cuanto más prolongada es la exposición a TNF-alfa o mayor es la concentración de TNF-alfa, más mutaciones se acumulan en la secuencia de ADN.
Al secuenciar el ADN más adelante, los investigadores pueden determinar cuánta exposición hubo.
"Este es el comportamiento análogo rico que estamos buscando, donde, a medida que aumenta la cantidad o duración de TNF-alfa, obtiene aumentos en la cantidad de mutaciones", dice Perli.
"Además, queríamos probar nuestro sistema en animales vivos. Ser capaz de registrar y extraer información de células vivas en ratones puede ayudar a responder preguntas biológicas significativas", dice Cui. Los investigadores demostraron que el sistema es capaz de registrar la inflamación enratones.
La mayoría de las mutaciones resultan en la eliminación de parte de la secuencia de ADN, por lo que los investigadores diseñaron sus cadenas guía de ARN para que sean más largas que los 20 nucleótidos habituales, de modo que no se vuelvan demasiado cortas para funcionar. Las secuencias de 40 nucleótidos son másque el tiempo suficiente para registrar durante un mes, y los investigadores también han diseñado secuencias de 70 nucleótidos que podrían usarse para registrar señales biológicas durante más tiempo.
Seguimiento del desarrollo y la enfermedad
Los investigadores también demostraron que podían diseñar células para detectar y registrar más de una entrada, mediante la producción de múltiples cadenas guía de ARN autodirigidas en la misma célula. Cada guía de ARN está vinculada a una entrada específica y solo se produce cuando esa entradaEn este estudio, los investigadores demostraron que podían registrar la presencia tanto del antibiótico doxiciclina como de una molécula conocida como IPTG.
En la actualidad, es más probable que este método se utilice para estudios de células, tejidos u órganos modificados humanos, dicen los investigadores. Al programar células para registrar múltiples eventos, los científicos podrían usar este sistema para monitorear la inflamación o infección, o para monitorear el cáncerprogresión. También podría ser útil para rastrear cómo las células se especializan en diferentes tejidos durante el desarrollo de animales, desde embriones hasta adultos.
"Con esta tecnología, podría tener diferentes registros de memoria que registran exposiciones a diferentes señales, y podría ver que cada una de esas señales fue recibida por la celda durante este período de tiempo o con esa intensidad", dice Perli.manera de acercarse a la comprensión de lo que está sucediendo en el desarrollo ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por Anne Trafton. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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