La técnica para editar genomas bacterianos puede registrar interacciones entre células y puede ofrecer una forma de editar genes en el microbioma humano

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Los ingenieros biológicos del MIT han ideado una nueva forma de editar de manera eficiente los genomas bacterianos y programar las memorias en las 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 del ADN de las células.

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 tuvieron una tasa de éxito de solo 1 en 10,000 células por generación. En un nuevo estudio, los investigadores demostraron que este enfoque podría usarse para preservar la memoria de las interacciones celulares o la ubicación espacial.

Esta técnica también podría permitir que los genes se modifiquen, activen o silencien selectivamente 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 modificar de manera precisa y eficiente los genomas bacterianos sin necesidad de ninguna forma de selección, dentro de ecosistemas bacterianos complejos», dice Fahim Farzadfard, ex postdoctorado en el MIT y autor principal del artículo. «Esto nos permite realizar la edición del genoma y la escritura del ADN fuera de los entornos de laboratorio, ya sea para diseñar bacterias, optimizar los rasgos de interés in situ o estudiar la dinámica evolutiva y las interacciones en poblaciones bacterianas».

Timothy Lu, profesor asociado de ingeniería eléctrica e informática e ingeniería biológica en el MIT, 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.

Escritura del genoma y registro de recuerdos.

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 «registradores genómicos», ingeniería E. coli para almacenar recuerdos a largo plazo de eventos como la exposición a sustancias químicas.

Para lograr esto, los investigadores diseñaron células para producir una enzima transcriptasa inversa llamada retron, que produce ADN monocatenario (ssDNA) cuando se expresa en células y una enzima recombinasa, que puede insertar («escribir») una secuencia específica. ADN trenzado en un sitio objetivo en el genoma. Este ADN solo se produce cuando se activa por la presencia de una molécula predeterminada u otro tipo de entrada, como la luz. Una vez que se produce el ADN, la recombinasa inserta el ADN en un sitio preprogramado, que puede estar en cualquier parte del genoma.

Esa técnica, que los investigadores llamaron SCRIBE, tenía 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 al hecho de que E. coli tienen mecanismos celulares que evitan la acumulación e integración de ADN monocatenario en sus genomas.

En el nuevo estudio, los investigadores buscaron aumentar la eficiencia del proceso eliminando algunos de los E. coli ‘s mecanismos de defensa contra el ADN monocatenario. Primero, desactivaron enzimas llamadas exonucleasas, que descomponen el ADN monocatenario. También eliminaron genes involucrados en un sistema llamado reparación de errores de emparejamiento, que normalmente evita que el ADN monocatenario se integre en el genoma.

Con estas modificaciones, los investigadores pudieron lograr una incorporación casi universal de los cambios genéticos que buscaban introducir, creando una forma incomparable y eficiente de modificar los genomas bacterianos sin necesidad de selección.

“Gracias a esta mejora, pudimos ejecutar algunas aplicaciones que no pudimos ejecutar 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 este tipo de exposiciones y otros tipos de eventos, como interacciones entre células.

Por ejemplo, los investigadores han demostrado que pueden seguir un proceso llamado conjugación bacteriana, durante el cual las bacterias intercambian fragmentos de ADN. Al integrar un «código de barras» de ADN en el genoma de cada célula, que luego se puede intercambiar por otras células, los investigadores pueden determinar qué células han interactuado entre sí secuenciando 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, dice Farzadfard. 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 un mecanismo para registrar información espacial sobre la interacción de las células bacterianas y posiblemente en el futuro, de las neuronas que han sido etiquetadas», dice Farzadfard.

Los investigadores también han demostrado que pueden utilizar esta técnica para modificar 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 modificación selectiva de especies podría ofrecer una nueva forma 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, estos tratamientos probablemente requerirían muchos más años de investigación para desarrollarse, dicen.

Los investigadores también han demostrado que pueden utilizar 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 a un ritmo más rápido de lo que sería posible con 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 experimentales de la evolución, permitiendo que la cinta de la evolución se reproduzca 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 del Programa NSF Expeditions in Computing y la Beca de Ciencias Schmidt Programa.

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