Trucos moelculares

A travA�s de algunos trucos moleculares inteligentes, investigadores del Centro MA�dico de la Universidad de Columbia, en Nueva York, han convertido un sistema inmune bacteriano natural en un registrador de datos microscA?pico, sentando las bases para una nueva clase de tecnologA�as que usan cA�lulas bacterianas para todo, desde el diagnA?stico de enfermedades hasta el control ambiental. Los investigadores modificaron una cepa de laboratorio comA?n del omnipresente microbio intestinal humano, Escherichia coli, permitiendo a las bacterias no solo registrar sus interacciones con el medioambiente, sino tambiA�n marcar el tiempo de los eventos.

«Tales bacterias, tragadas por un paciente, podrA�an registrar los cambios que experimentan a travA�s de todo el tracto digestivo, produciendo una vista sin precedentes de fenA?menos previamente inaccesibles», dice el autor principal del nuevo trabajo, Harris Wang, profesor asistente en el Departamento de PatologA�a y BiologA�a Celular y Sistemas BiologA�a en ese campus.

Otras aplicaciones del trabajo, publicado en a�?Sciencea�?, podrA�an incluir la detecciA?n ambiental y estudios bA?sicos en ecologA�a y microbiologA�a, donde las bacterias podrA�an monitorear los cambios que de otro modo serA�an invisibles sin alterar su entorno. Wang y los miembros de su laboratorio crearon el registrador de datos microscA?pico aprovechando CRISPR-Cas, un sistema inmune en muchas especies de bacterias. CRISPR-Cas copia fragmentos de ADN de virus invasores para que las siguientes generaciones de bacterias puedan repeler estos patA?genos de manera mA?s efectiva. Como resultado, el locus CRISPR del genoma bacteriano acumula un registro cronolA?gico de los virus bacterianos al que A�l y sus antepasados han sobrevivido. Cuando esos mismos virus intentan infectar de nuevo, el sistema CRISPR-Cas puede reconocerlos y eliminarlos.

«Tales bacterias, tragadas por un paciente, podrA�an registrar los cambios que experimentan a travA�s de todo el tracto digestivo, produciendo una vista sin precedentes de fenA?menos previamente inaccesibles»

«El sistema CRISPR-Cas es un dispositivo de memoria biolA?gica natural», recuerda Wang. «Desde una perspectiva de ingenierA�a que en realidad es bastante agradable, porque ya es un sistema que se ha perfeccionado a travA�s de la evoluciA?n para ser realmente bueno en el almacenamiento de informaciA?n». CRISPR-Cas normalmente usa sus secuencias registradas para detectar y cortar el ADN de los fagos entrantes. La especificidad de esta actividad de corte de ADN ha convertido a CRISPR-Cas en el favorito de los investigadores de terapia gA�nica, que lo han modificado para realizar cambios precisos en los genomas de cA�lulas cultivadas, animales de laboratorio e incluso humanos. De hecho, mA?s de una docena de ensayos clA�nicos estA?n en curso para tratar diversas patologA�as a travA�s de la terapia gA�nica CRISPR-Cas.

Pero Ravi Sheth, del laboratorio de Wang, vio un potencial no realizado en la funciA?n de grabaciA?n de CRISPR-Cas. «Cuando piensas en registrar seA�ales que cambian temporalmente con la electrA?nica, o una grabaciA?n de audio, esa es una tecnologA�a muy poderosa, pero estA?bamos pensando cA?mo puedes escalar esto a las cA�lulas vivas», dice Sheth. Para construir su grabadora microscA?pica, Sheth y otros miembros del laboratorio de Wang modificaron un fragmento de ADN llamado plA?smido, que le permitiA? crear mA?s copias de sA� mismo en la cA�lula bacteriana en respuesta a una seA�al externa. Un plA?smido de grabaciA?n separado, que controla la grabadora y marca el tiempo, expresa los componentes del sistema CRISPR-Cas.

En ausencia de una seA�al externa, solo el plA?smido de grabaciA?n estA? activo, y la cA�lula agrega copias de una secuencia espaciadora al locus CRISPR en su genoma. Cuando la cA�lula detecta una seA�al externa, el otro plA?smido tambiA�n se activa, lo que lleva a la inserciA?n de sus secuencias. El resultado es una mezcla de secuencias de fondo que registran el tiempo y las secuencias de seA�ales que cambian segA?n el entorno de la cA�lula. Los investigadores pueden luego examinar el locus CRISPR bacteriano y usar herramientas computacionales para leer la grabaciA?n y su sincronizaciA?n.

El documento actual demuestra que el sistema puede manejar al menos tres seA�ales simultA?neas y grabar durante dA�as. «Ahora estamos planeando observar varios marcadores que podrA�an alterarse en virtud de cambios en estados naturales o de enfermedad, en el sistema gastrointestinal o en cualquier otro lugar», adelanta Wang.

Los biA?logos sintA�ticos han utilizado CRISPR anteriormente para almacenar poemas, libros e imA?genes en ADN, pero A�sta es la primera vez que CRISPR se ha empleado para registrar la actividad celular y el momento de esos eventos.