Investigadores del Centro Médico de la Universidad de Columbia, modificaron una cepa de laboratorio común del omnipresente microbio intestinal humano, ‘Escherichia coli’, permitiendo a las bacterias no solo registrar sus interacciones con el medioambiente, sino también marcar el tiempo de los eventos.

Trucos moleculares han convertido un sistema inmune bacteriano natural en un registrador de datos microscópico, sentando las bases para una nueva clase de tecnologías que usan células bacterianas.
Investigadores del Centro Médico de la Universidad de Columbia, modificaron una cepa de laboratorio común del omnipresente microbio intestinal humano, ‘Escherichia coli’, permitiendo a las bacterias no solo registrar sus interacciones con el medioambiente, sino también marcar el tiempo de los eventos.
“Tales bacterias, tragadas por un paciente, podrían registrar los cambios que experimentan a través de todo el tracto digestivo, produciendo una vista sin precedentes de fenómenos previamente inaccesibles”, dice en un comunicado el autor principal del nuevo trabajo, Harris Wang, profesor asistente en el Departamento de Patología y Biología Celular y Sistemas Biología en CUMC.
Otras aplicaciones del trabajo, y, descrito en un artículo publicado en la edición de este jueves de la revista Science’, podrían incluir la detección ambiental y estudios básicos en ecología y microbiología, donde las bacterias podrían monitorear los cambios que de otro modo serían invisibles sin alterar su entorno. Wang y los miembros de su laboratorio crearon el registrador de datos microscópico 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 patógenos de manera más efectiva. Como resultado, el locus CRISPR del genoma bacteriano acumula un registro cronológico de los virus bacterianos al que él y sus antepasados han sobrevivido. Cuando esos mismos virus intentan infectar de nuevo, el sistema CRISPR-Cas puede reconocerlos y eliminarlos.
UN DISPOSITIVO DE MEMORIA BIOLÓGICA NATURAL
“El sistema CRISPR-Cas es un dispositivo de memoria biológica natural”, dice Wang. “Desde una perspectiva de ingeniería que en realidad es bastante agradable, porque ya es un sistema que se ha perfeccionado a través de la evolución para ser realmente bueno en el almacenamiento de información”.
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 génica, que lo han modificado para realizar cambios precisos en los genomas de células cultivadas, animales de laboratorio e incluso humanos. De hecho, más de una docena de ensayos clínicos están en curso para tratar diversas patologías a través de la terapia génica CRISPR-Cas.
Pero Ravi Sheth, estudiante graduado en el laboratorio de Wang, vio un potencial no realizado en la función de grabación de CRISPR-Cas. “Cuando piensas en registrar señales que cambian temporalmente con la electrónica, o una grabación de audio, esa es una tecnología muy poderosa, pero estábamos pensando cómo puedes escalar esto a las células vivas”, dice Sheth.
Para construir su grabadora microscópica, Sheth y otros miembros del laboratorio de Wang modificaron un fragmento de ADN llamado plásmido, que le permitió crear más copias de sí mismo en la célula bacteriana en respuesta a una señal externa. Un plásmido de grabación separado, que controla la grabadora y marca el tiempo, expresa los componentes del sistema CRISPR-Cas.
En ausencia de una señal externa, solo el plásmido de grabación está activo, y la célula agrega copias de una secuencia espaciadora al locus CRISPR en su genoma. Cuando la célula detecta una señal externa, el otro plásmido también se activa, lo que lleva a la inserción de sus secuencias. El resultado es una mezcla de secuencias de fondo que registran el tiempo y las secuencias de señales que cambian según el entorno de la célula. Los investigadores pueden luego examinar el locus CRISPR bacteriano y usar herramientas computacionales para leer la grabación y su sincronización.
El documento actual demuestra que el sistema puede manejar al menos tres señales simultáneas y grabar durante días. “Ahora estamos planeando observar varios marcadores que podrían alterarse en virtud de cambios en estados naturales o de enfermedad, en el sistema gastrointestinal o en cualquier otro lugar”, adelanta Wang.
Los biólogos sintéticos han utilizado CRISPR anteriormente para almacenar poemas, libros e imágenes en ADN, pero ésta es la primera vez que CRISPR se ha empleado para registrar la actividad celular y el momento de esos eventos.

Trucos moleculares han convertido un sistema inmune bacteriano natural en un registrador de datos microscópico, sentando las bases para una nueva clase de tecnologías que usan células bacterianas.

Investigadores del Centro Médico de la Universidad de Columbia, modificaron una cepa de laboratorio común del omnipresente microbio intestinal humano, ‘Escherichia coli’, permitiendo a las bacterias no solo registrar sus interacciones con el medioambiente, sino también marcar el tiempo de los eventos.

“Tales bacterias, tragadas por un paciente, podrían registrar los cambios que experimentan a través de todo el tracto digestivo, produciendo una vista sin precedentes de fenómenos previamente inaccesibles”, dice en un comunicado el autor principal del nuevo trabajo, Harris Wang, profesor asistente en el Departamento de Patología y Biología Celular y Sistemas Biología en CUMC.

Otras aplicaciones del trabajo, y, descrito en un artículo publicado en la edición de este jueves de la revista Science’, podrían incluir la detección ambiental y estudios básicos en ecología y microbiología, donde las bacterias podrían monitorear los cambios que de otro modo serían invisibles sin alterar su entorno. Wang y los miembros de su laboratorio crearon el registrador de datos microscópico 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 patógenos de manera más efectiva. Como resultado, el locus CRISPR del genoma bacteriano acumula un registro cronológico de los virus bacterianos al que él y sus antepasados han sobrevivido. Cuando esos mismos virus intentan infectar de nuevo, el sistema CRISPR-Cas puede reconocerlos y eliminarlos.

UN DISPOSITIVO DE MEMORIA BIOLÓGICA NATURAL

“El sistema CRISPR-Cas es un dispositivo de memoria biológica natural”, dice Wang. “Desde una perspectiva de ingeniería que en realidad es bastante agradable, porque ya es un sistema que se ha perfeccionado a través de la evolución para ser realmente bueno en el almacenamiento de información”.

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 génica, que lo han modificado para realizar cambios precisos en los genomas de células cultivadas, animales de laboratorio e incluso humanos. De hecho, más de una docena de ensayos clínicos están en curso para tratar diversas patologías a través de la terapia génica CRISPR-Cas.

Pero Ravi Sheth, estudiante graduado en el laboratorio de Wang, vio un potencial no realizado en la función de grabación de CRISPR-Cas. “Cuando piensas en registrar señales que cambian temporalmente con la electrónica, o una grabación de audio, esa es una tecnología muy poderosa, pero estábamos pensando cómo puedes escalar esto a las células vivas”, dice Sheth.

Para construir su grabadora microscópica, Sheth y otros miembros del laboratorio de Wang modificaron un fragmento de ADN llamado plásmido, que le permitió crear más copias de sí mismo en la célula bacteriana en respuesta a una señal externa. Un plásmido de grabación separado, que controla la grabadora y marca el tiempo, expresa los componentes del sistema CRISPR-Cas.

En ausencia de una señal externa, solo el plásmido de grabación está activo, y la célula agrega copias de una secuencia espaciadora al locus CRISPR en su genoma. Cuando la célula detecta una señal externa, el otro plásmido también se activa, lo que lleva a la inserción de sus secuencias. El resultado es una mezcla de secuencias de fondo que registran el tiempo y las secuencias de señales que cambian según el entorno de la célula. Los investigadores pueden luego examinar el locus CRISPR bacteriano y usar herramientas computacionales para leer la grabación y su sincronización.

El documento actual demuestra que el sistema puede manejar al menos tres señales simultáneas y grabar durante días. “Ahora estamos planeando observar varios marcadores que podrían alterarse en virtud de cambios en estados naturales o de enfermedad, en el sistema gastrointestinal o en cualquier otro lugar”, adelanta Wang.

Los biólogos sintéticos han utilizado CRISPR anteriormente para almacenar poemas, libros e imágenes en ADN, pero ésta es la primera vez que CRISPR se ha empleado para registrar la actividad celular y el momento de esos eventos.

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