Diferentes "eventos", como las infecciones por virus, así como la exposición a toxinas ambientales u otras formas de estrés, cambian la actividad de los genes dejando rastros moleculares dentro de la célula. Estos cambios ocurren principalmente a nivel del ARN mensajero ARNm. Son moléculas que codifican información genética cuando los genes se activan y leen, un proceso conocido como transcripción. Los investigadores pueden investigar con precisión la actividad de un gen midiendo las moléculas de ARNm presentes en una célula. Sin embargo, los rastros de la transcripción génica desaparecenrápidamente: el ARNm es altamente inestable y las células a menudo lo degradan después de un corto tiempo.
ADN circular como sistema de grabación
El investigador de ETH, Randall Platt, y sus colegas del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Biosistemas han desarrollado un sistema de registro molecular que escribe eventos transcripcionales en el ADN donde pueden almacenarse permanentemente y luego acceder a ellos mediante secuenciación.
Para crear su "dispositivo de grabación", los estudiantes de doctorado de Platt Florian Schmidt y Mariia Cherepkova emplearon el sistema CRISPR-Cas. CRIPSR-Cas es un sistema inmune adaptativo en bacterias y arqueas. El sistema funciona como un dispositivo de memoria inmunológica al registrar información genéticasobre los patógenos que infectan la célula. Esta información genética se registra en un tramo específico de ADN conocido como matriz CRISPR, un proceso llamado adquisición.
Información genética como un collar de perlas
Las matrices CRISPR son capaces de almacenar secuencias cortas de ADN, conocidas como 'espaciadores', que se originan a partir de un patógeno. Los espaciadores están separados entre sí por una secuencia de ADN corta e idéntica llamada repeticiones directas, al igual que las perlas en una cuerda.
Los investigadores trabajaron con la bacteria intestinal Escherichia coli, introduciendo los genes para el sistema CRISPR-Cas de una especie bacteriana diferente. Uno de esos genes Cas se fusiona con una transcriptasa inversa, una enzima que utiliza una molécula de ARN para producir codificación de ADNla misma información; en otras palabras, transcribe el ARN nuevamente en el ADN.
Las células de Escherichia coli suministradas con los genes extraños para este CRISPR-Cas pudieron producir un complejo proteico que une moléculas de ARNm cortas. La transcriptasa inversa traduce estos espaciadores de ARN en ADN, que contiene la misma información que el ARN original, y posteriormentealmacenarlos en la matriz CRISPR. Este proceso puede ocurrir varias veces de modo que se agreguen nuevos espaciadores a la matriz CRISPR en orden cronológico inverso, por lo que el fragmento de ADN adquirido más recientemente siempre es el primero.
En principio, esto hace posible registrar cualquier número de espaciadores dentro de una matriz CRISPR. Dado que el ADN es muy estable, la información registrada en ellos se almacena durante mucho tiempo y también se transmite de una generación de bacterias a la siguiente.
"Nuestro sistema es un registrador de datos biológicos. Registra la respuesta genética de las bacterias a las influencias externas y nos permite acceder a esa información incluso después de muchas generaciones bacterianas", dice Florian Schmidt, autor principal del estudio, que se publicó recientemente enel periódico Naturaleza .
El profesor de ETH, Randall Platt, dice: "Los investigadores han estado trabajando en la creación de formas de memoria celular sintética durante mucho tiempo, pero somos los primeros en desarrollar una que puede registrar información sobre la expresión de cada gen en una célula a lo largo del tiempo".Los investigadores han pasado más de dos años trabajando en este sistema.
Acceso al libro de registro completo
Hasta ahora, los investigadores estaban limitados a medir ARNm en una sola instantánea en el tiempo. Tomar estas instantáneas generalmente significa destruir la célula, extraer su ARNm y luego cuantificarlas. Por el contrario, el nuevo sistema de registro de ARN CRISPR-Cas registra lahistorial de la célula, lo que permite a los investigadores acceder de manera efectiva a todo el libro de registro celular en lugar de a un solo punto en el tiempo.
Como parte de su estudio, los investigadores de ETH registraron la reacción de la bacteria E. coli equipada con el registrador de datos al herbicida paraquat. Esta sustancia provoca cambios en la transcripción de ARNm dentro de las células, y los científicos pudieron leer esta respuesta delMatrices CRISPR incluso días después de la exposición al herbicida. Sin el registrador de datos, cualquier rastro molecular del contacto de la bacteria con el herbicida se habría descompuesto hace mucho tiempo y se habría perdido la información.
Los registradores de datos biológicos como este, además de ser interesantes para fines de investigación, también podrían concebirse como un tipo de sensor, para medir toxinas ambientales como el herbicida o en diagnósticos. El presente estudio demuestra intrigantemente la viabilidad de talesun enfoque, sin embargo, las aplicaciones prácticas aún están muy lejos. El equipo de investigación de Randall Platt en Basilea ya está trabajando en transferir el sistema a otros tipos de células y allanar el camino para su uso efectivo como herramientas de diagnóstico.
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Materiales proporcionado por ETH Zúrich . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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