- El trabajo realizado por científicos en Israel ha permitido crear el sistema de ADN en miniatura más autosuficiente jamás visto
- Por qué esto podría conducir a la siguiente fase en la generación de células artificiales
Los investigadores del Instituto Weizmann de Ciencias se emocionaron cuando lograron observar el nacimiento de una proteína formada por una sola molécula de ADN: nadie había visto antes este evento fuera de una célula. Sin embargo, esa emoción fue solo el comienzo. Los conocimientos obtenidos a partir de la observación permitieron a los científicos diseñar el circuito genético más pequeño y autosuficiente jamás creado, una hazaña que en el futuro podría ayudar a diseñar células artificiales y crear nanodispositivos mejorados para su uso en biotecnología.
“Hemos descubierto un principio de diseño genético muy inteligente en la naturaleza, y eso es lo que nos permitió construir un circuito en una molécula de ADN individual”, dice el investigador postdoctoral Dr. Ferdinand Greiss, quien dirigió esta investigación en el laboratorio del Prof. Roy Bar-Ziv en el Departamento de Física Química y Biológica de Weizmann.
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Al igual que un circuito eléctrico, cuyos componentes trabajan juntos para producir un efecto físico, como encender una bombilla, un circuito genético es una red de componentes celulares (genes, promotores, proteínas reguladoras) que juntos dan lugar a la expresión de genes u otro proceso biológico. Y así como un circuito eléctrico es una unidad independiente que puede formar parte de dispositivos más complejos, un circuito genético es una entidad autónoma que puede servir de base para máquinas biológicas artificiales que se utilizarán en una variedad de aplicaciones médicas o biotecnológicas.
El asombroso logro de la evolución
El estudio comenzó con un experimento que produjo un resultado muy improbable. Greiss estaba estudiando varios aspectos de las llamadas células artificiales, que son el tema central de la investigación en el laboratorio de Bar-Ziv. En un experimento, estaba rastreando el proceso por el cual los genes se expresan, es decir, por el cual producen las proteínas que codifican, en un circuito genético. Modificó el ADN de la bacteria E. coli para crear un circuito que contenía un gen que codificaba una proteína reguladora destinada a actuar como un interruptor de “activación” para otro gen. También agregó una etiqueta fluorescente, que se suponía que se iluminaría cuando se expresara ese otro gen.
Greiss comenzó integrando solo unas diez de las moléculas de ADN diseñadas en una célula artificial, que luego llenó con una solución que imitaba el interior de un compartimento celular. Normalmente, para que los circuitos genéticos funcionen en células vivas o artificiales, el ADN tiene que generar cientos o miles de copias de proteínas reguladoras; estas flotan por el entorno celular hasta que finalmente se encuentran con los segmentos de ADN previstos, regulando su expresión.
Se suponía que esto no sucedería tan fácilmente cuando solo un puñado de proteínas reguladoras flotaban como remanente de restos flotantes en un mar de solución en el experimento de Greiss. Sin embargo, para gran sorpresa de los investigadores, la etiqueta fluorescente pronto anunció que el gen de interés, activado por las proteínas reguladoras, había experimentado expresión. ¿Cómo tan pocas proteínas reguladoras encontraron su camino hacia el ADN en la célula artificial tan rápidamente?
Aún más sorprendente fue que, cuando Greiss adhirió una sola molécula de ADN a una superficie y la sumergió en una solución, la etiqueta fluorescente se iluminó muy pronto. En otras palabras, incluso con la dilución más extrema posible, la proteína que activaba el interruptor se había conectado de algún modo con su ADN objetivo a una velocidad récord.
La única explicación plausible era que, después de fabricarse la proteína reguladora, permanecía temporalmente unida al ADN. De hecho, estudios realizados en laboratorios de otros lugares habían sugerido en el pasado que este era el caso de la E. coli, pero demostrar la existencia de tal unión era imposible con las tecnologías existentes, en parte porque la síntesis de proteínas se realiza en menos de un minuto, mientras que las etiquetas fluorescentes estándar tardan varios minutos en encenderse.
En colaboración con científicos alemanes, Greiss desarrolló un nuevo tipo de etiqueta que se enciende en cuestión de decenas de segundos, mucho más rápido que las etiquetas fluorescentes habituales. Luego pasó varios meses construyendo una instalación que le permitiría usar esta etiqueta para observar moléculas individuales bajo el microscopio. De este modo, él y sus colegas pudieron finalmente observar directamente, por primera vez, cómo una proteína reguladora recién creada realmente permanecía en el ADN de E. coli , como si estuviera atada por un cordón umbilical hasta que se completara la expresión genética. Utilizando el mismo sistema, los investigadores pudieron observar luego cómo esa única molécula de ADN daba origen a una proteína codificada por el gen de interés.
