«Nanopore-tal» permite que las células hablen con las computadoras

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Las proteínas informadoras codificadas genéticamente han sido un pilar de la investigación biotecnológica, permitiendo a los científicos monitorear la expresión génica, comprender los procesos intracelulares y depurar circuitos genéticos diseñados.

Pero los esquemas de informes convencionales que se basan en la fluorescencia y otros enfoques ópticos tienen limitaciones prácticas que podrían ensombrecer los futuros avances de la industria. Ahora, investigadores de la Universidad de Washington y Microsoft han creado un «nanoporetal» sobre lo que está sucediendo dentro de estos complejos sistemas biológicos, lo que permite a los científicos ver las proteínas informadoras desde una perspectiva completamente nueva.

El equipo introdujo una nueva clase de proteínas informadoras que pueden leerse directamente mediante un dispositivo de detección de nanoporos disponible comercialmente. ¿El nuevo sistema? denominado «Etiquetas de proteínas direccionables con nanoporos diseñadas como reporteros» o «NanoporeTERs»? puede detectar múltiples niveles de expresión de proteínas de cultivos de células bacterianas y humanas mucho más allá de la capacidad de las técnicas existentes.

El estudio fue publicado el 12 de agosto en Biotecnologías naturales.

«Los NanoporeTERs ofrecen un léxico nuevo y más rico para permitir que las células diseñadas se expresen y arrojen nueva luz sobre los factores que están diseñados para monitorear. Pueden decirnos mucho más sobre lo que está sucediendo en su entorno de una vez», dijo. el codirector. autor Nicolas Cardozo, estudiante de doctorado en el Instituto de Ciencias e Ingeniería Molecular de la Universidad de Washington. «Básicamente, estamos haciendo posible que estas células ‘hablen’ con las computadoras sobre lo que está sucediendo en su entorno con un nuevo nivel de detalle, escala y eficiencia que permitirá un análisis más profundo que antes».

Para los métodos de etiquetado convencionales, los investigadores pueden rastrear simultáneamente solo unas pocas proteínas informadoras ópticas, como la proteína verde fluorescente, debido a sus propiedades espectrales superpuestas. Por ejemplo, es difícil distinguir entre más de tres colores diferentes de proteínas fluorescentes al mismo tiempo. En contraste, los NanoporeTERs han sido diseñados para llevar «códigos de barras» de proteínas distintos compuestos por cadenas de aminoácidos que, cuando se usan en combinación, permiten al menos diez veces más posibilidades de multiplexación.

Estas proteínas sintéticas se secretan fuera de una célula al entorno circundante, donde los investigadores pueden recolectarlas y analizarlas utilizando una matriz de nanoporos disponible comercialmente. Aquí, el equipo utilizó el dispositivo MinION de Oxford Nanopore Technologies.

Los investigadores diseñaron proteínas NanoporeTER con «colas» cargadas para que puedan ser arrastradas a sensores de nanoporos mediante un campo eléctrico. Luego, el equipo utiliza el aprendizaje automático para clasificar las señales eléctricas de cada código de barras NanoporeTER con el fin de determinar los niveles de salida de cada proteína.

«Esta es una interfaz fundamentalmente nueva entre las células y las computadoras», dijo el autor principal Jeff Nivala, profesor asistente de investigación de la Universidad de Washington en la Escuela de Ingeniería y Ciencias de la Computación Paul G. Allen. “Una analogía que me gusta hacer es que los reporteros de proteínas fluorescentes son como balizas y los NanoporeTER son como mensajes en una botella.

«Los faros son realmente útiles para comunicar un lugar físico, ya que literalmente puedes ver de dónde proviene la señal, pero es difícil empaquetar más información en ese tipo de señal. Un mensaje en una botella, por otro lado, puede contener una gran cantidad de información en un barco muy pequeño y puede enviar muchos a otra ubicación para que los lean. Puede perder de vista la ubicación física precisa donde se enviaron los mensajes, pero para muchas aplicaciones esto no será un problema «.

Como prueba de concepto, el equipo desarrolló una biblioteca de más de 20 etiquetas NanoporeTERs distintas. Pero el potencial es significativamente mayor, según la autora principal Karen Zhang, ahora estudiante de doctorado en el programa de bioingeniería de la UC Berkeley-UCSF.

«Actualmente estamos trabajando para aumentar el número de NanoporeTERs a cientos, miles, posiblemente incluso millones más», dijo Zhang, quien se graduó de la Universidad de Washington este año con títulos tanto en bioquímica como en microbiología. «Cuanto más tenemos, más cosas podemos monitorear.

«Estamos particularmente entusiasmados con el potencial de la proteómica unicelular, pero esto también podría cambiar las reglas del juego en términos de la capacidad de realizar biosensores múltiples para diagnosticar enfermedades e incluso terapias dirigidas que se dirigen a áreas específicas del cuerpo. Y la depuración es complicada». . Los diseños de circuitos genéticos serían mucho más simples y tomarían mucho menos tiempo si pudiéramos medir el rendimiento de todos los componentes en paralelo en lugar de prueba y error «.

Estos investigadores ya hicieron un nuevo uso del dispositivo MinION cuando desarrollaron un sistema de etiquetado molecular para reemplazar los métodos convencionales de control de inventario. Este sistema se basaba en códigos de barras que comprendían cadenas de ADN sintético que podían decodificarse bajo demanda utilizando el lector de mano.

Esta vez el equipo dio un paso más.

«Este es el primer artículo que muestra cómo un dispositivo sensor de nanoporos comercial puede reutilizarse para aplicaciones distintas a la secuenciación de ADN y ARN para la que fueron diseñados originalmente», dijo la coautora Kathryn Doroschak, bióloga computacional de Adaptive. Biotecnologías que completó este trabajo como estudiante de doctorado en la Escuela Allen. «Esto es emocionante como precursor de que la tecnología de nanoporos se vuelva más accesible y ubicua en el futuro. Ya puede conectar un dispositivo de nanoporos a su teléfono móvil. Me imagino que algún día tendrá la opción de ‘aplicaciones moleculares’ que serán relativamente económicas. ampliamente disponible fuera de la genómica tradicional «.

Los coautores adicionales del artículo son Aerilynn Nguyen de Northeastern University y Zoheb Siddiqui de Amazon, ambos ex estudiantes de la Universidad de Washington; Nicholas Bogard para Patch Biosciences, un ex investigador postdoctoral de la Universidad de Washington; Luis Ceze, profesor de la Escuela Allen; y Karin Strauss, profesora afiliada de Allen School y directora principal de investigación de Microsoft. Esta investigación fue financiada por la National Science Foundation, los National Institutes of Health y un acuerdo de investigación patrocinado por Oxford Nanopore Technologies.

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