Investigadores de la Universidad de California en San Diego han inventado un nuevo método para controlar la expresión génica a través de colonias bacterianas. El método implica realizar cambios dinámicos en el número de copias de ADN de forma sincronizada. Los resultados se publicaron en la edición en línea del 10 de julio de 2017 de Genética de la naturaleza .
Hasta ahora, los métodos para controlar o programar las células bacterianas involucraban la regulación transcripcional y postranscripcional. Investigadores de UC San Diego dirigidos por Jeff Hasty, profesor de bioingeniería y biología y miembro del Centro de Innovación de Microbiomas de UC San Diego, describen un nuevométodo, que consiste en cortar piezas circulares de ADN bacteriano llamadas plásmidos, destruyendo efectivamente el ADN y desactivando la regulación.
El estudio también demuestra cómo se puede aumentar la concentración de ADN para activar un circuito genético sintético. Al controlar el número de copias de ADN, los investigadores pueden regular efectivamente la expresión génica.
La biología sintética, que puede implicar la alteración de los sistemas biológicos para algún propósito, está emergiendo como una disciplina de ingeniería. El campo se estableció firmemente en 2000, con la descripción de los circuitos biológicos sintéticos en los que partes de una célula están diseñadas para realizar funciones, similar a la forma en que funciona un circuito electrónico. También similar a un circuito electrónico, la tarea realizada por un circuito biológico se puede encender y apagar. Al mismo tiempo, los investigadores describieron la creación de un "reloj genético", que implica colocargenes en un orden particular para que se activen en un momento específico. Este enfoque también ha ayudado a los investigadores a comprender los "osciladores" naturales, como nuestro ciclo de sueño-vigilia.
Desde estos primeros inventos, Hasty y su equipo han demostrado cómo las oscilaciones celulares diseñadas pueden sincronizarse dentro de una colonia bacteriana utilizando plásmidos, diseñados sintéticamente por los propios investigadores. Ahora, el equipo está agregando una nueva herramienta a la caja de herramientas del Biólogo Sintético:un "reloj maestro" que permitirá a los investigadores coordinar subprocesos en células bacterianas.
"Este logro notable es un elemento clave para el control de los microbiomas", dijo Rob Knight, profesor de pediatría en la Universidad de California en San Diego con una cita conjunta en ciencias de la computación e ingeniería. Knight dirige el Centro de Innovación de Microbiomas ". Al controlar diferentes cepascon el mismo reloj maestro, o dándoles a sus propias cepas diferentes relojes, podemos comenzar a diseñar dinámicas a nivel de población para controlar funciones específicas del microbioma ".
Los ejemplos de estas funciones pueden incluir la interacción con las células huésped en determinados momentos del día, como la liberación programada de neurotransmisores producidos por la bacteria o las interacciones con otras bacterias, como la producción de antimicóticos desencadenada por una comida rica en azúcar.
Programando el reloj
Los investigadores utilizaron una endonucleasa de Saccharomyces cerevisiae, una especie de levadura, expresada junto con un plásmido que contiene la secuencia de reconocimiento de nucleasa para reducir temporalmente el número de copias del plásmido por debajo de los niveles naturales.
"Descubrimos que la replicación de plásmidos es tan fuerte que no pudimos cortarlos a todos", dijo Hasty. "Esta fue una buena noticia, porque significaba que podíamos reducir la expresión génica, pero no eliminarla".
Los investigadores razonaron que el método podría usarse para regular un conjunto completo de genes y promotores, y probaron su idea utilizando un circuito previamente construido para producir ciclos sostenidos de concentración de plásmidos de ADN en una colonia de E. coli celdas
El circuito funciona mediante el uso de una molécula pequeña, conocida como AHL, para coordinar la expresión génica a través de una colonia de células bacterianas. Una vez activados, los genes controlados por el promotor también se activan, incluido el gen productor de AHL. Gracias a estocircuito de retroalimentación positiva, cuanto más AHL se acumula, más se produce. Debido a que el AHL es lo suficientemente pequeño como para difundirse entre las células y activar el promotor en las células vecinas, los genes activados por él también se producirían en grandes cantidades, lo que llevaría a un fenómenoconocido como detección de quórum. Hasty y su equipo emplearon la endonucleasa para reducir la cantidad de estos plásmidos presentes en la colonia y utilizaron este mecanismo como retroalimentación negativa para impulsar las oscilaciones en la expresión génica. Mediante la detección de quórum, el sistema de retroalimentación se acopló a través de la coloniade células
"Observamos oscilaciones regulares de la expresión génica en cámaras microfluídicas a diferentes escalas de longitud de colonias y durante períodos de tiempo prolongados", dijo Hasty. "Al incorporar elementos para la regulación del número de copias positivas y negativas, pudimos mejorar la solidez de lacircuito."
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Materiales proporcionados por Universidad de California - San Diego . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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