Utilizando una técnica que puede editar con precisión las bases de ADN, los investigadores del MIT han creado una forma de almacenar "recuerdos" complejos en el ADN de las células vivas, incluidas las células humanas.
El nuevo sistema, conocido como DOMINO, se puede utilizar para registrar la intensidad, la duración, la secuencia y el tiempo de muchos eventos en la vida de una célula, como las exposiciones a ciertos productos químicos. Esta capacidad de almacenamiento de memoria puede actuar como elbase de circuitos complejos en los que un evento, o una serie de eventos, desencadena otro evento, como la producción de una proteína fluorescente.
"Esta plataforma nos brinda una forma de codificar las operaciones de memoria y lógica en las células de manera escalable", dice Fahim Farzadfard, investigador postdoctoral de Schmidt Science en el MIT y autor principal del artículo ". Similar a las computadoras basadas en silicio,para crear formas complejas de lógica y computación, necesitamos tener acceso a grandes cantidades de memoria ".
Las aplicaciones para este tipo de circuitos de memoria complejos incluyen el seguimiento de los cambios que ocurren de generación en generación a medida que las células se diferencian, o la creación de sensores que podrían detectar y posiblemente tratar células enfermas.
Timothy Lu, profesor asociado de ingeniería eléctrica y ciencias de la computación y de ingeniería biológica del MIT, es el autor principal del estudio, que aparece en la edición del 22 de agosto de célula molecular . Otros autores del artículo incluyen a la estudiante de posgrado de la Universidad de Harvard Nava Gharaei, la ex investigadora del MIT Yasutomi Higashikuni, la estudiante de posgrado del MIT Giyoung Jung y el postdoc del MIT Jicong Cao.
Escrito en ADN
Hace varios años, el laboratorio de Lu desarrolló un sistema de almacenamiento de memoria basado en enzimas llamadas recombinasas de ADN, que pueden "voltear" segmentos de ADN cuando ocurre un evento específico. Sin embargo, este enfoque es limitado en escala: solo puede registrar uno o doseventos, porque las secuencias de ADN que deben invertirse son muy grandes y cada una requiere una recombinasa diferente.
Lu y Farzadfard luego desarrollaron un enfoque más específico en el que podían insertar nuevas secuencias de ADN en ubicaciones predeterminadas en el genoma, pero ese enfoque solo funcionó en células bacterianas. En 2016, desarrollaron un sistema de almacenamiento de memoria basado en CRISPR, un genomasistema de edición que consiste en una enzima de corte de ADN llamada Cas9 y una cadena corta de ARN que guía a la enzima a un área específica del genoma.
Este proceso basado en CRISPR permitió a los investigadores insertar mutaciones en ubicaciones específicas de ADN, pero se basó en la propia maquinaria de reparación de ADN de la célula para generar mutaciones después de que Cas9 cortara el ADN. Esto significaba que los resultados mutacionales no siempre eran predecibles, por lo tantolimitar la cantidad de información que podría almacenarse.
El nuevo sistema DOMINO utiliza una variante de la enzima CRISPR-Cas9 que produce mutaciones más bien definidas porque modifica y almacena directamente fragmentos de información en bases de ADN en lugar de cortar el ADN y esperar a que las células reparen el daño. Los investigadores mostraronque podrían hacer que este sistema funcione con precisión tanto en células humanas como bacterianas.
"Este documento trata de superar todas las limitaciones de los anteriores", dice Lu. "Nos acerca mucho más a la visión final, que es tener sistemas de memoria robustos, altamente escalables y definidos, similar a lo difícil que esconducir funcionaría "
Para lograr este mayor nivel de precisión, los investigadores adjuntaron una versión de Cas9 a una enzima "editora básica" desarrollada recientemente, que puede convertir el nucleótido citosina en timina sin romper el ADN bicatenario.
Las cadenas de ARN guía, que dirigen al editor base hacia dónde hacer este cambio, se producen solo cuando ciertas entradas están presentes en la celda. Cuando una de las entradas objetivo está presente, el ARN guía lleva al editor base a un tramo deADN que los investigadores agregaron al núcleo de la célula o a los genes que se encuentran en el genoma de la célula, según la aplicación. La medición de la citosina resultante a las mutaciones de timina permite a los investigadores determinar a qué se ha expuesto la célula.
"Puede diseñar el sistema para que cada combinación de las entradas le proporcione una firma mutacional única, y desde esa firma puede saber qué combinación de las entradas ha estado presente", dice Farzadfard.
cálculos complejos
Los investigadores usaron DOMINO para crear circuitos que realizan cálculos lógicos, incluyendo compuertas AND y OR, que pueden detectar la presencia de múltiples entradas. También crearon circuitos que pueden registrar cascadas de eventos que ocurren en un cierto orden, similar a una matrizde dominó cayendo.
La mayoría de las versiones anteriores del almacenamiento de la memoria celular han requerido que las memorias almacenadas se lean secuenciando el ADN. Sin embargo, ese proceso destruye las células, por lo que no se pueden realizar más experimentos en ellas. En este estudio, los investigadores diseñaron sus circuitos para queel resultado final activaría el gen de la proteína verde fluorescente GFP. Al medir el nivel de fluorescencia, los investigadores pudieron estimar cuántas mutaciones se habían acumulado, sin matar las células. La tecnología podría utilizarse para crear células inmunes de ratón que producenGFP cuando se activan ciertas moléculas de señalización, que los investigadores podrían analizar tomando periódicamente muestras de sangre de los ratones.
Otra posible aplicación es diseñar circuitos que puedan detectar la actividad de genes relacionados con el cáncer, dicen los investigadores. Dichos circuitos también podrían programarse para activar genes que producen moléculas que combaten el cáncer, permitiendo que el sistema detecte y trate la enfermedad ".Esas son aplicaciones que pueden estar más alejadas del uso en el mundo real, pero ciertamente están habilitadas por este tipo de tecnología ", dice Lu.
La investigación fue financiada por los Institutos Nacionales de Salud, la Oficina de Investigación Naval, la Fundación Nacional de Ciencias, la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa, el Centro MIT para Informática y Terapéutica de Microbiomas y el Premio del Programa de Expediciones en Computación de NSF.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por Anne Trafton. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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