Los Ingenieros Del MIT Crean Células Sintéticas Para Aislar Circuitos Genéticos

Los ingenieros crean células sintéticas para aislar circuitos genéticos

Ingenieros de MIT han desarrollado una forma de aislar circuitos genéticos dentro de “células” sintéticas individuales, evitando que los circuitos se interrumpan entre sí.

La biología sintética permite a los científicos diseñar circuitos genéticos que se pueden colocar en las células, dándoles nuevas funciones como producir fármacos u otras moléculas útiles. Sin embargo, a medida que estos circuitos se vuelven más complejos, los componentes genéticos pueden interferir entre sí, dificultando el logro de funciones más complicadas. 

Los investigadores del MIT han demostrado ahora que estos circuitos pueden aislarse dentro de “células” sintéticas individuales, evitando que se interrumpan entre sí. Los investigadores también pueden controlar la comunicación entre estas células, lo que permite que los circuitos o sus productos se combinen en momentos específicos.

“Es una forma de tener el poder de las cascadas genéticas multicomponente, junto con la capacidad de construir muros entre ellos para que no se crucen. No interferirán entre sí como lo harían si estuvieran todos en una sola celda o en un vaso de precipitados ”, dice Edward Boyden, profesor asociado de ingeniería biológica y ciencias cognitivas y cerebrales en el MIT. Boyden también es miembro del Laboratorio de Medios del MIT y del Instituto McGovern para la Investigación del Cerebro, y académico académico de HHMI-Simons.

Este enfoque podría permitir a los investigadores diseñar circuitos que fabriquen productos complejos o actúen como sensores que respondan a cambios en su entorno, entre otras aplicaciones.

Boyden es el autor principal de un artículo que describe esta técnica en la edición del 14 de noviembre de Nature Chemistry . Los autores principales del artículo son la ex postdoctoral del MIT Kate Adamala, que ahora es profesora asistente en la Universidad de Minnesota, y el ex estudiante de posgrado del MIT Daniel Martin-Alarcon. Katriona Guthrie-Honea, ex asistente de investigación del MIT, también es autora del artículo.

Control de circuito

El equipo del MIT encapsuló sus circuitos genéticos en gotitas conocidas como liposomas, que tienen una membrana grasa similar a las membranas celulares. Estas células sintéticas no están vivas pero están equipadas con gran parte de la maquinaria celular necesaria para leer ADN y fabricar proteínas.

Al segregar circuitos dentro de sus propios liposomas, los investigadores pueden crear subrutinas de circuito separadas que no podrían ejecutarse en el mismo contenedor al mismo tiempo, pero pueden correr en paralelo entre sí, comunicándose de manera controlada. Este enfoque también permite a los científicos reutilizar las mismas herramientas genéticas, incluidos genes y factores de transcripción (proteínas que activan o desactivan genes), para realizar diferentes tareas dentro de una red.

“Si separa los circuitos en dos liposomas diferentes, podría tener una herramienta haciendo un trabajo en un liposoma y la misma herramienta haciendo un trabajo diferente en el otro liposoma”, dice Martin-Alarcon. “Amplía la cantidad de cosas que puede hacer con los mismos componentes básicos”.

Este enfoque también permite la comunicación entre circuitos de diferentes tipos de organismos, como bacterias y mamíferos.

Como demostración, los investigadores crearon un circuito que usa partes genéticas bacterianas para responder a una molécula conocida como teofilina, un fármaco similar a la cafeína. Cuando esta molécula está presente, activa otra molécula conocida como doxiciclina para dejar el liposoma y entrar en otro conjunto de liposomas que contienen un circuito genético de mamíferos. En esos liposomas, la doxiciclina activa una cascada genética que produce luciferasa, una proteína que genera luz.

Usando una versión modificada de este enfoque, los científicos podrían crear circuitos que trabajen juntos para producir terapias biológicas como anticuerpos, después de detectar una molécula particular emitida por una célula cerebral u otra célula.

“Si piensa que el circuito bacteriano codifica un programa de computadora y el circuito de mamíferos codifica la fábrica, podría combinar el código de computadora del circuito bacteriano y la fábrica del circuito de mamíferos en un sistema híbrido único”, dice Boyden.

Los investigadores también diseñaron liposomas que pueden fusionarse entre sí de forma controlada. Para hacer eso, programaron las células con proteínas llamadas SNARE, que se insertan en la membrana celular. Allí, se unen a las SNARE correspondientes que se encuentran en las superficies de otros liposomas, lo que hace que las células sintéticas se fusionen. El momento de esta fusión se puede controlar para unir liposomas que producen diferentes moléculas. Cuando las células se fusionan, estas moléculas se combinan para generar un producto final.

Más modularidad

Los investigadores creen que este enfoque podría usarse para casi cualquier aplicación en la que ya estén trabajando los biólogos sintéticos. También podría permitir a los científicos buscar aplicaciones potencialmente útiles que se han probado antes pero que se han abandonado porque los circuitos genéticos interfieren demasiado entre sí.

“La forma en que escribimos este documento no se orientó hacia una sola aplicación”, dice Boyden. “La pregunta básica es: ¿Se pueden hacer estos circuitos más modulares? Si tienes todo mezclado en la celda, pero descubres que los circuitos son incompatibles o tóxicos, entonces poner paredes entre esas reacciones y darles la capacidad de comunicarse entre sí podría ser muy útil “.

Vincent Noireaux, profesor asociado de física en la Universidad de Minnesota, describió el enfoque del MIT como “un método bastante novedoso para aprender cómo funcionan los sistemas biológicos”.

“El uso de la expresión libre de células tiene varias ventajas: técnicamente el trabajo se reduce a la clonación (hoy en día es rápido y fácil), podemos vincular el procesamiento de información a la función biológica como lo hacen las células vivas, y trabajamos de forma aislada sin que se produzca ninguna otra expresión genética en antecedentes ”, dice Noireaux, que no participó en la investigación.

Otra posible aplicación de este enfoque es ayudar a los científicos a explorar cómo las primeras células pueden haber evolucionado hace miles de millones de años. Mediante la ingeniería de circuitos simples en liposomas, los investigadores podrían estudiar cómo las células podrían haber desarrollado la capacidad de sentir su entorno, responder a los estímulos y reproducirse.

“Este sistema puede utilizarse para modelar el comportamiento y las propiedades de los primeros organismos de la Tierra, así como para ayudar a establecer los límites físicos de la vida de tipo terrestre para la búsqueda de vida en otras partes del sistema solar y más allá”, dice Adamala.

Publicación: Katarzyna P. Adamala, et al., “Ingeniería de interacciones de circuitos genéticos dentro y entre células sintéticas mínimas”, Nature Chemistry (2016) doi: 10.1038 / nchem.2644

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