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La técnica de edición de genomas bacterianos puede registrar las interacciones entre las células y podría ofrecer una forma de editar los genes del microbioma humano.
Los ingenieros biológicos del MIT han ideado una nueva forma de editar eficazmente los genomas bacterianos y programar memorias en las células bacterianas reescribiendo su ADN. Con este método, se pueden almacenar permanentemente varias formas de información espacial y temporal durante generaciones y recuperarlas mediante la secuenciación del ADN de las células.
La nueva técnica de escritura del ADN, que los investigadores denominan HiSCRIBE, es mucho más eficaz que los sistemas desarrollados anteriormente para editar el ADN de las bacterias, que sólo tenían una tasa de éxito de aproximadamente 1 de cada 10.000 células por generación. En un nuevo estudio, los investigadores demostraron que este método podría utilizarse para almacenar la memoria de las interacciones celulares o la localización espacial.
Según los investigadores, esta técnica también podría permitir editar, activar o silenciar genes de forma selectiva en determinadas especies de bacterias que viven en una comunidad natural como el microbioma humano.
"Con este nuevo sistema de escritura del ADN, podemos editar con precisión y eficacia los genomas bacterianos sin necesidad de ninguna forma de selección, dentro de ecosistemas bacterianos complejos", afirma Fahim Farzadfard, antiguo postdoctorado del MIT y autor principal del artículo. "Esto nos permite llevar a cabo la edición del genoma y la escritura del ADN fuera de los entornos de laboratorio, ya sea para la ingeniería de las bacterias, la optimización de los rasgos de interés in situ, o el estudio de la dinámica evolutiva y las interacciones en las poblaciones bacterianas."
Timothy Lu, profesor asociado de ingeniería eléctrica e informática y de ingeniería biológica del MIT, es el autor principal del estudio, que se publicó el 5 de agosto de 2021 en Cell Systems. 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.
Escritura del genoma y grabación de memorias
Durante varios años, el laboratorio de Lu ha estado trabajando en formas de utilizar el ADN para almacenar información, como la memoria de eventos celulares. En 2014, él y Farzadfard desarrollaron una forma de emplear las bacterias como una "grabadora genómica", diseñando E. coli para almacenar recuerdos a largo plazo de eventos como una exposición química.
Para lograrlo, los investigadores diseñaron las células para que produjeran 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") una secuencia específica de ADN monocatenario en un lugar determinado del genoma. Este ADN sólo se produce 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 lo inserta en un lugar preprogramado, que puede estar en cualquier parte del genoma.
Esta técnica, que los investigadores llamaron SCRIBE, tenía una eficacia de escritura relativamente baja. En cada generación, de cada 10.000 células de E. coli, sólo una adquiría el nuevo ADN que los investigadores intentaban incorporar a las células. Esto se debe, en parte, a que las E. coli tienen mecanismos celulares que impiden que el ADN monocatenario se acumule e integre en sus genomas.
En el nuevo estudio, los investigadores trataron de aumentar la eficacia del proceso eliminando algunos de los mecanismos de defensa de E. coli contra el ADN monocatenario. En primer lugar, desactivaron unas enzimas llamadas exonucleasas, que descomponen el ADN monocatenario. También eliminaron los genes que intervienen en un sistema denominado reparación de desajustes, que normalmente impide la integración del ADN monocatenario en el genoma.
Con esas modificaciones, los investigadores pudieron lograr la incorporación casi universal de los cambios genéticos que intentaban introducir, creando una forma inédita y eficiente de editar genomas bacterianos sin necesidad de selección.
"Gracias a esa mejora, pudimos realizar algunas aplicaciones que no podíamos hacer con la generación anterior de SCRIBE o con otras tecnologías de escritura de ADN", afirma Farzadfard.
Interacciones celulares
En su estudio de 2014, los investigadores demostraron que podían utilizar 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, como las interacciones entre células.
Por ejemplo, los investigadores demostraron que podían seguir un proceso llamado conjugación bacteriana, durante el cual las bacterias intercambian trozos de ADN. Al integrar un "código de barras" de ADN en el genoma de cada célula, que puede intercambiarse con otras, los investigadores pueden determinar qué células han interactuado entre sí secuenciando su ADN para ver qué códigos de barras llevan.
Este tipo de cartografía podría ayudar a los investigadores a estudiar cómo se comunican las bacterias entre sí dentro de agregados como las biopelículas. Si se pudiera aplicar un método similar a las células de los mamíferos, algún día podría utilizarse para cartografiar las interacciones entre otros tipos de células, como las neuronas, afirma Farzadfard. Los virus que pueden atravesar las sinapsis neuronales podrían programarse para llevar códigos de barras de ADN que los investigadores podrían utilizar para rastrear las conexiones entre las neuronas, ofreciendo una nueva forma de ayudar a cartografiar el conectoma del cerebro.
"Estamos utilizando el ADN como mecanismo para registrar información espacial sobre la interacción de las células bacterianas y, quizá en el futuro, de las neuronas que han sido marcadas", afirma Farzadfard.
Los investigadores también demostraron que podían utilizar 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 células de E. coli que crecían en cultivo con otras especies de bacterias.
Según los investigadores, 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 fármacos existentes, silenciando sus genes de resistencia. Sin embargo, es probable que el desarrollo de estos tratamientos requiera varios años más de investigación, afirman.
Los investigadores también demostraron que podían utilizar esta técnica para diseñar un ecosistema sintético formado por bacterias y bacteriófagos que pueden reescribir continuamente ciertos segmentos de su genoma y evolucionar de forma autónoma con un ritmo superior al que permitiría la evolución natural. En este caso, lograron optimizar la capacidad de las células para consumir lactosa.
"Este enfoque podría utilizarse para la ingeniería evolutiva de rasgos celulares, o en estudios de evolución experimental al permitir reproducir la cinta de la evolución una y otra vez", afirma Farzadfard.
Fuentes, créditos y referencias:
Imágen: Crédito: MIT News, iStockphoto
Referencias: “Efficient retroelement-mediated DNA writing in bacteria” by Fahim Farzadfard, Nava Gharaei, Robert J. Citorik and Timothy K. Lu, 5 August 2021, Cell Systems.