Un circuito diseñado para una expresión génica uniforme

Los resultados, en la edición actual de Comunicaciones de la naturaleza, muestran cómo los investigadores diseñaron estos circuitos de genes para amortiguar la producción de proteínas a partir de los cambios en el número de copias de genes dentro de la célula, lo que ayudó a crear una expresión de proteínas consistente. Esta propiedad se denomina «compensación de la dosis de genes».

Los investigadores utilizan una analogía con la calefacción de una casa para explicar cómo funcionan los ecualizadores. Imagínese usando estufas colocadas al azar para calentar su hogar. Para asegurarse de que cada habitación tenga un calentador, compraría unos adicionales, pero eso significaría que algunas habitaciones pueden tener calentadores adicionales. Esas habitaciones pueden estar demasiado calientes, por lo que una solución sería tener termostatos en cada calentador para reducir la regulación del calor cuando una habitación se calienta demasiado. Esos termostatos actúan como ecualizadores.

Los investigadores suelen codificar genes para que se expresen en trozos circulares de ADN llamados plásmidos. Los plásmidos en exceso se utilizan a menudo para garantizar que la mayoría de las células obtengan uno, pero algunas células obtendrán varios. El ecualizador se compone de retroalimentación negativa transcripcional y bucles de retroalimentación post-transcripcional inconsistentes. Estos bucles contrarrestan la presencia de plásmidos adicionales: perciben las salidas, en este caso las proteínas y los ARNm producidos por los plásmidos, y reducen su expresión si aumentan demasiado.

«No inventamos las piezas, sino que inventamos una nueva forma de conectarlas en un circuito», dijo Jin Yang, quien compartió la primera autoría del documento con el estudiante graduado de Rice University, Jihwan Lee. Jin era estudiante de bioingeniería en Rice University durante el desarrollo de este trabajo y actualmente es Ph.D. estudiante del Instituto Tecnológico de Massachusetts. «En los sistemas naturales, algunas redes de genes deben controlar la variación en la dosis de genes para seguir siendo funcionales y conservar sus propiedades.

Hemos reutilizado y combinado dos tipos de circuitos de compensación de ensayos de genes para crear una versión que permite la expresión uniforme de cualquier proteína que los científicos quieran producir en el laboratorio «.

La retroalimentación negativa y los subcircuitos de circuito de alimentación hacia adelante inconsistentes pueden ayudar a compensar la dosis de genes, pero los investigadores encontraron que emparejar los dos mejora el rendimiento general. Esto se debe a que no todos los circuitos son perfectos. Por ejemplo, el bucle de alimentación inconsistente puede saturarse porque requiere otras proteínas que están presentes en cantidades limitadas en la célula. El circuito de retroalimentación negativa tiene una capacidad inhibitoria limitada, similar a un grifo de fregadero con fugas que no se puede cerrar por completo. Pero la combinación de estos dos circuitos imperfectos produjo un rendimiento robusto, y cada circuito ayudó a mitigar las limitaciones del otro.

«El proceso que usamos para estos resultados fue un esfuerzo de colaboración que combina simulaciones por computadora y biología. Es similar a la forma en que trabajan los ingenieros: ellos elaboran sus planes, crean un modelo y luego construyen su estructura», dijo. Oleg Igoshin, profesor de bioingeniería, biociencia y química en la Universidad de Rice y autor principal del artículo. «En este caso, pudimos crear nuestro modelo y mostrar su efectividad a través de modelos computacionales antes de que fuera diseñado sintéticamente en el laboratorio».

Pero, ¿por qué es importante minimizar la variación de expresión cuando se trata de investigación biológica?

«El efecto de una proteína puede depender de su abundancia en una célula. Si está estudiando una nueva proteína y su concentración es demasiado baja, es posible que no pueda observar su función en la célula. Si su concentración es demasiado alta, el la proteína puede localizarse incorrectamente, agruparse, producir citotoxicidad o producir respuestas no fisiológicas. Por lo tanto, es importante que una proteína se exprese al nivel deseado en cada célula bajo prueba «, dijo el Dr. François St-Pierre, profesor asistente de neurociencia y académico McNair en Baylor y autor correspondiente de este estudio. «Creemos que los ecualizadores serán de gran valor tanto para la investigación básica como para la industria».

Otros que participaron en esta investigación incluyen a Michelle A. Land y Shujuan Lai, ambos de Baylor College of Medicine.

La investigación fue apoyada por la Fundación Welch, el Premio Klingenstein-Simons Fellowship en Neurociencia, la Fundación Médica McNair, la Fundación Nacional de Ciencias (incluido el Centro de Física Biológica Teórica respaldado por la NSF), los Institutos Nacionales de Salud y Prevención del Cáncer, y Instituto de Investigaciones de Texas.

Fuente de la historia:

Materiales proporcionados por Facultad de Medicina de Baylor. Nota: El contenido se puede cambiar por estilo y longitud.