Encendiendo luces y genes I

por Bio! México


Encendiendo luces y genes I
Antecedentes sobre la inducción por luz.

Para la inducción de la expresión de proteínas recombinantes, comúnmente se utilizan inductores químicos, variaciones de la osmolaridad o de temperatura. Estos estímulos, sin embargo, tienen la desventaja de ser invasivos y de poder despertar otras respuestas en la célula, además de que en el caso de los inductores químicos, el costo de los reactivos no puede descartarse cuando se trata de producción a nivel industrial.

¿Dónde podría encontrarse un estímulo que sea a la vez específico, no invasivo y de bajo costo? La respuesta que en el 2002 encontraron Shimizu-Sato y sus colegas es elegante y muy interesante: la luz.

Ellos utilizaron fitocromos de la planta Arabidopsis thaliana y los adaptaron a un experimento de doble híbrido en levaduras, de tal manera que en presencia de luz roja se indujo la expresión de LacZ cuantificada en unidades Miller; mientras que en presencia de luz roja lejana, la expresión de LacZ fue reprimida. La principal desventaja subyacía, sin embargo, en que al medio de cultivo debía todavía agregarse una sustancia necesaria para la recepción de la luz: la molécula cromófora.

Unos años después, a finales del 2005, miembros del equipo del Dr. Voigt publicaron un brief communication que dejaría huella en el desarrollo de la Biología Sintética: Engineering Escherichia coli to see light.

Tomado de Levskaya, et al., (2005)
Los investigadores comentan cómo lograron hacer una quimera entre el osmoregulador EnvZ de E. coliy el fitocromo Cph1 de Synechocystis, y cómo con este fotorreceptor quimérico pudieron acoplar la respuesta transcripcional del reportero LacZ con la exposición a la luz de sus placas de cultivo, de tal manera que a mayor exposición lumínica, había una menor respuesta de LacZ. Finalmente, debido a que la expresión de LacZ puede monitorearse por la presencia de un precipitado de color negro, en pocas palabras, ¡habían conseguido hacer que las placas de cultivo se transformaran en fotografías a blanco y negro! Además, habían logrado hacer que las mismas bacterias sintetizaran sus propias moléculas cromóforas, descartando la necesidad de tener que añadirlas al medio. El desarrollo de estas técnicas de “biofotografía” han encontrado seguidores en algunos gruops, como los integrantes de BioBuilder del grupo SynBERC, con bellos resultados que hacen resaltar las posibilidades de la Biología Sintética.

Tomado de Airan, et al., (2009)
En el 2008 y 2009 fueron publicados otros sistemas más regulados por la luz, entre los que destacan: la fusión de dominios LOV con la enzima dihidrofolato reductasa de E. coli, para el control lumínico de su actividad enzimática; la regulación del splicing de proteínas a través de luz, utilizando nuevamente fitocromos de A. thaliana; la regulación de la actividad neuronal por medio de estímulos lumínicos tanto en células en cultivo como en ratones (este campo de la investigación en neurología es conocido como optogenética y ya había reportado algunos resultados anteriormente, desarrollándose más o menos a la par que la regulación por luz de circuitos sintéticos); la fusión de dominios LOV para la regulación de la actividad de histidín-cinasasy sus cascadas de fosforilación y regulación genética in vivo; y finalmente regulación por luz del movimiento celular en células de mamífero en cultivo.

Sin embargo, el trabajo reportado en el artículo A Synthetic Genetic Edge Detection Program del Dr. Tabor y sus colaboradores destaca por utilizar dos circuitos sintéticos adicionales: la comunicación por Quorum Sensing y el concepto de invertidores de señal. De esta manera, lograron acoplar la respuesta a la luz con la expresión del reportero LacZ para la detección de bordes en imágenes, de tal manera que en la placa de cultivo se tuvo ahora una reproducción de los bordes que componen una imagen.

Tomado de Tabor, et al., (2011)
Finalmente, en el 2011, nuevamente el Dr. J. J. Tabor, junto con el Dr. A. Levskaya y el Dr. C. A. Voigt, reportaron un avance impresionante para la regulación por luz, pues ahora no solamente se trataba de un solo tipo de luz, si no de la posibilidad de tener respuestas separadas utilizando dos longitudes de onda determinadas. En Multichromatic Control of Gene Expression in Escherichia coli se describe cómo utilizando al sistema del fotorreceptor quimérico EnvZ-Cph1 (detección de luz roja) y el sistema sensor de luz de dos componentes CcaS-CcaR procedente de cianobacterias (detección de luz verde), los investigadores pudieron acoplar dentro de una misma célula la respuesta hacia dos estímulos lumínicos diferentes.

Los avances en la regulación por luz son muy prometedores; sin embargo, todavía existen algunos retos para la aplicación de la respuesta sintética hacia la luz, entre los que se encuentra la transmisión de la señal en un medio líquido.

No obstante, la investigación sigue y además, con el impulso creativo de los equipos de iGEM, seguramente no estamos lejos de poder regular la expresión genética en un fermentador utilizando solamente luz.

Aquí algunas referencias interesantes sobre el tema:

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