Los ingenieros biológicos del MIT han ideado una nueva forma de editar de manera eficiente los genomas bacterianos y programar memorias en células bacterianas reescribiendo su ADN. Con este enfoque, varias formas de información espacial y temporal se pueden almacenar de forma permanente durante generaciones y recuperar mediante la secuenciación de las células.'ADN.
La nueva técnica de escritura de ADN, que los investigadores llaman HiSCRIBE, es mucho más eficiente que los sistemas desarrollados anteriormente para editar ADN en bacterias, que tenían una tasa de éxito de solo 1 de cada 10,000 células por generación. En un nuevo estudio, los investigadoresdemostró que este enfoque podría usarse para almacenar la memoria de interacciones celulares o ubicación espacial.
Esta técnica también podría hacer posible editar, activar o silenciar selectivamente genes en ciertas especies de bacterias que viven en una comunidad natural como el microbioma humano, dicen los investigadores.
"Con este nuevo sistema de escritura de ADN, podemos editar genomas bacterianos de manera precisa y eficiente sin necesidad de ninguna forma de selección, dentro de ecosistemas bacterianos complejos", dice Fahim Farzadfard, ex postdoctorado del MIT y autor principal del artículo ".Esto nos permite realizar la edición del genoma y la escritura de ADN fuera de los entornos de laboratorio, ya sea para diseñar bacterias, optimizar rasgos de interés in situ o estudiar la dinámica evolutiva y las interacciones en las poblaciones bacterianas ".
Timothy Lu, profesor asociado del MIT de ingeniería eléctrica e informática y de ingeniería biológica, es el autor principal del estudio, que aparece hoy en sistemas celulares . Nava Gharaei, ex estudiante de posgrado de la Universidad de Harvard, y Robert Citorik, ex estudiante de posgrado del MIT, también son autores del estudio.
memorias de escritura y grabación del genoma
Durante varios años, el laboratorio de Lu ha estado trabajando en formas de usar el ADN para almacenar información como la memoria de eventos celulares. En 2014, él y Farzadfard desarrollaron una forma de emplear bacterias como una "grabadora genómica", ingeniería E. coli para almacenar recuerdos a largo plazo de eventos como una exposición química.
Para lograr eso, los investigadores diseñaron las células para producir una enzima transcriptasa inversa llamada retron, que produce un ADN monocatenario ssDNA cuando se expresa en las células, y una enzima recombinasa, que puede insertar "escribir" unasecuencia específica de ADN monocatenario en un sitio específico del genoma. Este ADN se produce solo cuando se activa por la presencia de una molécula predeterminada u otro tipo de entrada, como la luz. Una vez producido el ADN, la recombinasa inserta el ADNen un sitio preprogramado, que puede estar en cualquier parte del genoma.
Esa técnica, que los investigadores llamaron SCRIBE, tuvo una eficiencia de escritura relativamente baja. En cada generación, de cada 10,000 E. coli células, solo una adquiriría el nuevo ADN que los investigadores intentaron incorporar a las células. Esto se debe en parte a que E. coli tienen mecanismos celulares que evitan que el ADN monocatenario se acumule e integre en sus genomas.
En el nuevo estudio, los investigadores intentaron aumentar la eficiencia del proceso eliminando algunos de E. coli ' s mecanismos de defensa contra el ADN monocatenario. Primero, desactivaron las enzimas llamadas exonucleasas, que descomponen el ADN monocatenario. También bloquearon los genes involucrados en un sistema llamado reparación de errores de apareamiento, que normalmente previene la integración del ADN monocatenario enel genoma.
Con esas modificaciones, los investigadores pudieron lograr una incorporación casi universal de los cambios genéticos que intentaron introducir, creando una forma incomparable y eficiente de editar genomas bacterianos sin la necesidad de selección.
"Debido a esa mejora, pudimos hacer algunas aplicaciones que no pudimos hacer con la generación anterior de SCRIBE o con otras tecnologías de escritura de ADN", dice Farzadfard.
interacciones celulares
En su estudio de 2014, los investigadores demostraron que podían usar SCRIBE para registrar la duración y la intensidad de la exposición a una molécula específica. Con su nuevo sistema HiSCRIBE, pueden rastrear ese tipo de exposiciones, así como otros tipos de eventos, comocomo interacciones entre células.
Como ejemplo, los investigadores demostraron que podían rastrear un proceso llamado conjugación bacteriana, durante el cual las bacterias intercambian piezas de ADN. Al integrar un "código de barras" de ADN en el genoma de cada célula, que luego se puede intercambiar con otras células, los investigadorespuede determinar qué células han interactuado entre sí mediante la secuenciación de su ADN para ver qué códigos de barras llevan.
Este tipo de mapeo podría ayudar a los investigadores a estudiar cómo las bacterias se comunican entre sí dentro de agregados como las biopelículas. Si se pudiera implementar un enfoque similar en células de mamíferos, algún día podría usarse para mapear interacciones entre otros tipos de células como las neuronas,Farzadfard dice. Los virus que pueden cruzar sinapsis neuronales podrían programarse para llevar códigos de barras de ADN que los investigadores podrían usar para rastrear conexiones entre neuronas, ofreciendo una nueva forma de ayudar a mapear el conectoma del cerebro.
"Estamos utilizando el ADN como mecanismo para registrar información espacial sobre la interacción de las células bacterianas, y tal vez en el futuro, las neuronas que han sido etiquetadas", dice Farzadfard.
Los investigadores también demostraron que podían usar esta técnica para editar específicamente el genoma de una especie de bacteria dentro de una comunidad de muchas especies. En este caso, introdujeron el gen de una enzima que descompone la galactosa en E. coli células que crecen en cultivo con varias otras especies de bacterias.
Este tipo de edición selectiva de especies podría ofrecer una forma novedosa de hacer que las bacterias resistentes a los antibióticos sean más susceptibles a los medicamentos existentes al silenciar sus genes de resistencia, dicen los investigadores. Sin embargo, dichos tratamientos probablemente requerirían varios años más de investigación para desarrollarse, ellos dicen.
Los investigadores también demostraron que podrían usar esta técnica para diseñar un ecosistema sintético hecho de bacterias y bacteriófagos que pueden reescribir continuamente ciertos segmentos de su genoma y evolucionar de forma autónoma con una tasa más alta de lo que sería posible mediante la evolución natural. En este caso,pudieron optimizar la capacidad de las células para consumir el consumo de lactosa.
"Este enfoque podría usarse para la ingeniería evolutiva de rasgos celulares, o en estudios de evolución experimental al permitirle reproducir la cinta de la evolución una y otra vez", dice Farzadfard.
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 de Informática y Terapéutica del Microbioma, el Premio al Programa de Expediciones en Computación de la NSF y elPrograma de becarios de ciencias de Schmidt.
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