Cómo el diseño de un circuito genético podría revolucionar la biotecnología

*Este contenido fue producido por expertos del Instituto Weizmann de Ciencias, uno de los centros más importantes del mundo de investigación básica multidisciplinaria en el campo de las ciencias naturales y exactas, situado en la ciudad de Rejovot, Israel.

Los investigadores del Instituto Weizmann de Ciencias se emocionaron cuando lograron observar el nacimiento de una proteína formada por una sola molécula de ADN: nadie había visto antes este evento fuera de una célula. Sin embargo, esa emoción fue solo el comienzo. Los conocimientos obtenidos a partir de la observación permitieron a los científicos diseñar el circuito genético más pequeño y autosuficiente jamás creado, una hazaña que en el futuro podría ayudar a diseñar células artificiales y crear nanodispositivos mejorados para su uso en biotecnología.

“Hemos descubierto un principio de diseño genético muy inteligente en la naturaleza, y eso es lo que nos permitió construir un circuito en una molécula de ADN individual”, dice el investigador postdoctoral Dr. Ferdinand Greiss, quien dirigió esta investigación en el laboratorio del Prof. Roy Bar-Ziv en el Departamento de Física Química y Biológica de Weizmann.

Al igual que un circuito eléctrico, cuyos componentes trabajan juntos para producir un efecto físico, como encender una bombilla, un circuito genético es una red de componentes celulares (genes, promotores, proteínas reguladoras) que juntos dan lugar a la expresión de genes u otro proceso biológico. Y así como un circuito eléctrico es una unidad independiente que puede formar parte de dispositivos más complejos, un circuito genético es una entidad autónoma que puede servir de base para máquinas biológicas artificiales que se utilizarán en una variedad de aplicaciones médicas o biotecnológicas.

El estudio comenzó con un experimento que produjo un resultado muy improbable. Greiss estaba estudiando varios aspectos de las llamadas células artificiales, que son el tema central de la investigación en el laboratorio de Bar-Ziv. En un experimento, estaba rastreando el proceso por el cual los genes se expresan, es decir, por el cual producen las proteínas que codifican, en un circuito genético. Modificó el ADN de la bacteria E. coli para crear un circuito que contenía un gen que codificaba una proteína reguladora destinada a actuar como un interruptor de “activación” para otro gen. También agregó una etiqueta fluorescente, que se suponía que se iluminaría cuando se expresara ese otro gen.

Greiss comenzó integrando solo unas diez de las moléculas de ADN diseñadas en una célula artificial, que luego llenó con una solución que imitaba el interior de un compartimento celular. Normalmente, para que los circuitos genéticos funcionen en células vivas o artificiales, el ADN tiene que generar cientos o miles de copias de proteínas reguladoras; estas flotan por el entorno celular hasta que finalmente se encuentran con los segmentos de ADN previstos, regulando su expresión.

Se suponía que esto no sucedería tan fácilmente cuando solo un puñado de proteínas reguladoras flotaban como remanente de restos flotantes en un mar de solución en el experimento de Greiss. Sin embargo, para gran sorpresa de los investigadores, la etiqueta fluorescente pronto anunció que el gen de interés, activado por las proteínas reguladoras, había experimentado expresión. ¿Cómo tan pocas proteínas reguladoras encontraron su camino hacia el ADN en la célula artificial tan rápidamente?

Aún más sorprendente fue que, cuando Greiss adhirió una sola molécula de ADN a una superficie y la sumergió en una solución, la etiqueta fluorescente se iluminó muy pronto. En otras palabras, incluso con la dilución más extrema posible, la proteína que activaba el interruptor se había conectado de algún modo con su ADN objetivo a una velocidad récord.

La única explicación plausible era que, después de fabricarse la proteína reguladora, permanecía temporalmente unida al ADN. De hecho, estudios realizados en laboratorios de otros lugares habían sugerido en el pasado que este era el caso de la E. coli, pero demostrar la existencia de tal unión era imposible con las tecnologías existentes, en parte porque la síntesis de proteínas se realiza en menos de un minuto, mientras que las etiquetas fluorescentes estándar tardan varios minutos en encenderse.

En colaboración con científicos alemanes, Greiss desarrolló un nuevo tipo de etiqueta que se enciende en cuestión de decenas de segundos, mucho más rápido que las etiquetas fluorescentes habituales. Luego pasó varios meses construyendo una instalación que le permitiría usar esta etiqueta para observar moléculas individuales bajo el microscopio. De este modo, él y sus colegas pudieron finalmente observar directamente, por primera vez, cómo una proteína reguladora recién creada realmente permanecía en el ADN de E. coli , como si estuviera atada por un cordón umbilical hasta que se completara la expresión genética. Utilizando el mismo sistema, los investigadores pudieron observar luego cómo esa única molécula de ADN daba origen a una proteína codificada por el gen de interés.

“Fue fascinante para mí descubrir cómo la evolución había logrado un diseño tan económico”, dice Greiss, y agrega que el vínculo que habían observado experimentalmente confirmaba la existencia de un principio de diseño genético que hasta entonces solo había sido identificado en teoría.

Los investigadores emplearon este principio de diseño para conectar un circuito genético completo a una sola molécula de ADN. Además del interruptor de encendido, diseñaron la molécula para que contuviera un interruptor de apagado. Ambos interruptores se programaron para que permanecieran unidos al ADN hasta que hicieran su trabajo. En el futuro, se podrían programar numerosas funciones en nanocircuitos construidos con el mismo principio.

“Hemos demostrado que el ADN puede utilizarse como un centro de actividad en miniatura, cuando lo que está codificado en el ADN permanece en el ADN”, afirma Bar-Ziv. “Esto significa que podemos pensar en una sola molécula de ADN como una entidad autosuficiente: no necesita colocarse en su propio compartimento, sino que puede funcionar en un compartimento de cualquier volumen. Por lo tanto, puede servir como un nanodispositivo independiente para una variedad de aplicaciones futuras, desde la bioinformática hasta el diagnóstico y la terapia médica”.

Los autores del estudio incluyeron a la Dra. Shirley S. Daube del laboratorio de Bar-Ziv; el Dr. Nicolas Lardon del Instituto Max Planck de Investigación Médica, Heidelberg, Alemania; la Dra. Leonie Schütz y el Prof. Elmar Weinhold de la Universidad de Aachen, Aachen, Alemania; el Dr. Yoav Barak del Departamento de Apoyo a la Investigación Química de Weizmann; y el Prof. Vincent Noireaux de la Universidad de Minnesota, Minneapolis, MN, EE. UU.