Cápsula biotecnológica: memoria análoga en poblaciones de bacterias

Este Noviembre fue publicado en la revista Science un artículo por Fahim Farzadfard y Timothy K. Lu (MIT) en la que los investigadores reportan cómo hicieron para grabar información análoga en el genoma de una población de bacterias. Este desarrollo tiene el potencial de ser aplicado y extendido en múltiples áreas de las ciencias biológicas y como fuente de ssDNA para nanotecnología.

Esta “grabadora genómica” puede escribir y reescribir la información proveniente de un estímulo externo a una escala de días (los experimentos tuvieron lugar en un lapso e 12 días) y se basa en la actividad de la recombinasa Beta del bacteriófago lambda y en la actividad de los retrones.

Retrones y msDNA

Ya se había demostrado que la recombinasa Beta puede insertar oligonucleótidos sintéticos (ssDNA o DNA de una sola hebra) en sitios genómicos específicos. Pero, ¿qué tal si fuera posible utilizar alguno de los ssDNA que son producidos dentro de la misma célula? Y todavía más interesante, ¿qué tal si se pudiera regular la producción de un ssDNA en específico y usarlo para insertarlo con la recombinasa Beta en una región genómica de nuestro interés? Una fuente potencial para este ssDNA son los retrones.

Los retrones son secuencias codifican para un tipo de transcriptasa reversa (RT) y dos secuencias conocidas como msdmsr. Estos elementos genéticos se encuentran ampliamente distribuidos entre las bacterias y están asociados a DNA fágico. La RT de los retrones es capaz de producir una clase especial de híbrido ssDNA-RNA conocido como msDNA (multicopy single-stranded DNA).

El mecanismo por el que se produce msDNA inicia con la transcripción de un mRNA a partir del locus completo del retrón, el cual incluye a las secuencias msd msr, además de dos secuencias de repeticiones invertidas que flanquean a la región msd-msr que están involucradas en el plegamiento del mRNA. Una vez que el transcrito se encuentra en la conformación secundaria adecuada, la región msr le sirve a la enzima RT como primer y la región msd como templado.

En especifico, la RT cataliza un enlace no-típico 2′-5′ entre un residuo de guanosina del mRNA y la cadena naciente de cDNA. La reacción se detiene antes de llegar al término del mRNA, dando como resultado un conjugado de ssDNA y RNA.

Grabando y leyendo información en poblaciones de bacterias

Farzadfard y Lu demostraron que es posible modificar la secuencia msd de los retrones de tal manera que el msDNA producido puede tener una secuencia arbitraria para insertarse por recombinación a una región de nuestro interés en el genoma de una bacteria. En sus experimentos, los investigadores usaron a la bacteria modeo Escherichia coli DH5-alfa y eligieron los loci correspondientes a los genes marcadores kanR y galK.

Los investigadores hicieron varios experimentos en los que pusieron la expresión de la recombinasa Beta y el retrón artificial bajo el control de diferentes inputs externos (luz o inductores químicos). También usaron diferentes topologías de circuitos genéticos que tienen como output la represión o producción de kanR  (para uno de sus experimentos también utilizaron galK, pero nos referiremos solamente a kanR como ejemplo).

En principio, el número de eventos de recombinación en una población de bacterias deberá ser proporcional a la concentración del input externo y el tiempo de exposición. Estos eventos de recombinación pueden ser medidos como el número de colonias que expresan el gen marcador kanR. Y notablemente, es posible revertir estos eventos usando un msd diferente. Es decir, es posible grabar y reescribir la información codificada en el genoma de las bacterias de una población.

En su publicación, los investigadores presentan datos sobre la relación que existe entre la frecuencia de recombinación (el número de células resistentes a kanamicina divida porel número de células viables) y la concentración y el tiempo de exposición al input externo. Consecuentemente, llamaron a esta estrategia SCRIBE, que por sus siglas en Inglés quiere decirgrabadoras celulares sintéticas que integran eventos celulares”.

Abriendo nuevos horizontes

En su publicación y en una entrevista publicada en MIT News, los autores mencionan aplicaciones para biosensores intracelulares (utilizando promotores asociados a eventos elulres nativos) y de otros estímulos externos (contaminantes o marcadores biológicos de relevancia clínica, por ejemplo), para evolución dirigida (usando RTs y RNA polimerasas susceptibles a errores) y, en general, como una fuente de ssDNA para aplicaciones en nanotecnología.

Sin embargo, hacen también notar que la grabación y lectura de información ocurre a nivel poblacional y no a nivel de una sola célula, y que otras recombinasas sitio-específicas pudieran también ser usadas si tuvieran una tasa de recombinación intermedia como la de SCRIBE (10-4 eventos por generación) y que se necesita investigar más el mecanismo por el cual el msDNA es recombinado dentro del DNA genómico.

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