Investigadores de la Escuela de Ingeniería Samueli de UCLA y de la Universidad de Roma Tor Vergata en Italia han creado genes sintéticos que actúan como genes en células vivas.
Los genes sintéticos pueden formar estructuras intracelulares a través de una secuencia en cascada que fragmenta estructuras que se autoensamblan. El enfoque es similar a construir muebles con unidades modulares, como las que se encuentran en IKEA. Usando las mismas piezas, uno puede hacer muchas cosas diferentes y es fácil desarmar el conjunto y reutilizar las piezas para otra cosa. El descubrimiento ofrece un camino hacia el uso de un conjunto de bloques de construcción simples que pueden programarse para crear tubos a nanoescala a partir de materiales biomoleculares complejos, como los mosaicos de ADN. Los mismos componentes también se pueden programar para descomponer diferentes diseños de materiales.
El estudio de investigación se publicó recientemente. Comunicaciones de la naturaleza y dirigido por Alyssa Franco, profesora de ingeniería mecánica y aeroespacial y bioingeniería en UCLA Samueli. Daniela Sorrentino, investigadora postdoctoral en el Laboratorio de Sistemas Dinámicos de Ácidos Nucleicos de Franco, es la primera autora del estudio.
“Nuestro trabajo sugiere una forma de aumentar la complejidad de los materiales biomoleculares aprovechando el momento de las instrucciones moleculares para el autoensamblaje, en lugar de aumentar el número de moléculas que llevan dichas instrucciones”, dijo Franco. “Esto apunta a la interesante posibilidad de crear materiales discretos que puedan ‘crecer’ espontáneamente a partir de un único conjunto limitado de piezas simplemente volviendo a cablear los elementos que controlan el orden temporal del conjunto”.
Los organismos complejos se desarrollan a partir de una sola célula mediante eventos secuenciales de división y diferenciación. Estos procesos involucran múltiples biomoléculas coordinadas por cascadas de genes que guían el momento y la ubicación de la activación genética. Cuando se recibe una señal molecular, se activa una serie de genes que se ensamblan en una secuencia específica, lo que conduce a una respuesta biológica específica. Un ejemplo bien conocido en biología es el casete genético que controla la formación de partes del cuerpo en las moscas de la fruta. En este proceso, los genes están sincronizados con precisión para desencadenar la formación de partes específicas del cuerpo en la secuencia correcta.
“Imaginamos recrear cascadas de genes similares en el laboratorio que, dependiendo de cuándo se activa el gen, podrían estimular la formación o el desmontaje de materiales sintéticos”, dijo el coautor Francois Ricci, profesor de ciencia química. Universidad de Roma Tor Vergata.
En su estudio, los investigadores utilizaron los componentes básicos de las teselas de ADN, que están formadas por unas pocas hebras de ADN sintético. Luego desarrollaron una solución que constaba de millones de estos mosaicos, que interactuaban entre sí para formar estructuras tubulares a escala micrométrica. Las estructuras se forman sólo en presencia de una molécula de ARN específica que desencadena la formación. Una molécula desencadenante de ARN diferente también puede estimular el desmontaje de la misma estructura.
Luego, programaron varios genes sintéticos que activan el ARN en momentos específicos para sincronizar con precisión la formación y disolución de las estructuras del ADN.
Al unir estos genes, crearon una cascada genética artificial, similar a la de la mosca de la fruta, que podría controlar no sólo la formación o disolución de un tipo específico de estructura de ADN, sino que también puede controlar propiedades estructurales específicas en un momento dado. de
“Nuestro enfoque no se limita a las estructuras del ADN, puede extenderse a otros materiales y sistemas que dependen de la sincronización de señales bioquímicas”, dijo Sorrentino. “Al integrar estas señales, podemos asignar diferentes funciones a los mismos componentes, creando materiales que se producen espontáneamente a partir de las mismas partes. Esto conduce a avances interesantes en biología sintética, medicina y bioquímica. La tecnología allana el camino para nuevas aplicaciones”.
La investigación contó con el apoyo de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU., la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU., el Consejo Europeo de Investigación, la Asociación Italiana para la Investigación del Cáncer, el Ministerio italiano de Universidad e Investigación y el Plan Nacional de Recuperación y Resiliencia de Italia. Financiado por el paquete de estímulo de la Unión Europea NextGenerationEU. Sorrentino posee una beca financiada por la Asociación Italiana para la Investigación del Cáncer.
Simona Ranallo, investigadora de la Universidad de Roma Tor Vergata, también es autora del estudio.
