Los videos caseros de la infancia pueden ser conmovedores, divertidos o francamente vergonzosos. Pero las cintas contienen un recurso invaluable: fragmentos del viaje de un niño a medida que aprenden a navegar por el mundo. Claro, las fotos también pueden capturar un primer cumpleaños o una primera caída de una bicicleta, pero en lugar de una película, son instantáneas únicas en el tiempo.
Los científicos han buscado durante mucho tiempo incorporar "videocámaras" de ADN en las células para capturar su historia. Al igual que los niños, las células crecen, se diversifican y maduran a medida que interactúan con el medio ambiente. Estos cambios están integrados en la actividad genética de una célula y, al reconstruirlos con el tiempo, los científicos pueden inferir el estado actual de una célula; por ejemplo, ¿se está volviendo cancerosa?
La tecnología "profundizaría el conocimiento sobre la biología del desarrollo y del cáncer que podría traducirse en estrategias terapéuticas". dijo Dr. Nozomu Yachie y colegas de la Universidad de Columbia Británica.
¿El problema? El proceso de grabación, hasta la fecha, se ha compuesto solo de instantáneas individuales y ha destruido la celda, lo que hace imposible rastrear su crecimiento.
Ahora, un equipo dirigido por el Dr. Seth Shipman en el Instituto Gladstone de la UCSF diseñó una grabadora biológica—llamado Retro-Cascorder— que, como una videocámara de la vieja escuela, puede capturar el historial de expresión génica de una célula en una “cinta” de ADN durante días a la vez. Gracias a CRISPR, estas “cintas” se integran luego en el genoma de la célula, que se puede leer en una fecha posterior.
Los datos resultantes no son exactamente Los videos caseros más divertidos de América. Más bien, es más un libro de contabilidad que documenta múltiples señales biológicas y las almacena ordenadamente en orden cronológico.
“Esta nueva forma de recopilar datos moleculares nos brinda una ventana sin precedentes a las células”, dijo Shipman. Además de escuchar a escondidas el historial de desarrollo de una célula, por ejemplo, cómo se diversificó a partir de una célula madre común, agregar Retro-Cascorder podría transformar las células normales en biosensores vivos que monitorean la contaminación, los virus u otros contaminantes, mientras se prueba la capacidad del ADN como un dispositivo de almacenamiento de datos confiable.
El auge de las cintas de ADN
¿Por qué rastrear el historial de una celda?
Imagina una celda como un niño. A partir de un óvulo fertilizado, crece, cambia su apariencia externa (en una célula de la piel o una neurona, por ejemplo) y, en el caso de las células reproductivas, transmite información genética a sus hijos. El viaje de una célula a través de la vida no está determinado únicamente por su genética; más bien, la forma en que se llevan a cabo sus instrucciones genéticas depende de las interacciones tanto con sus vecinos celulares como con el mundo exterior: dieta, ejercicio, estrés y cualquier cosa que experimente su huésped humano.
Estos avisos de naturaleza y crianza hacen que una célula active un determinado patrón de genes, un proceso denominado expresión génica. Todas nuestras células albergan el mismo conjunto de genes; lo que los hace diferentes es cuáles están encendidos o apagados. La expresión génica es enormemente poderosa: puede cambiar la identidad, la función y, en última instancia, los procesos biológicos que gobiernan la vida de una célula.
Sería genial echar un vistazo a su funcionamiento interno.
Una forma es el enfoque instantáneo. Usando tecnologías "ómicas", es decir, analizando millones de células al mismo tiempo en busca de expresión génica, metabolismo u otros estados, podemos obtener una instantánea de alta resolución de un grupo de células en un momento determinado. Si bien es poderoso, el proceso destruye la muestra. La razón es porque la lectura de la información de expresión génica almacenada dentro de las células, un método denominado RNAseq, requiere descomponer la envoltura burbujeante y grasosa de la célula para acceder y extraer las moléculas. Imagínese apuntar el telescopio James Webb a cualquier punto del espacio, sabiendo que el telescopio borrará todo lo que vea, sí, no muy bien.
Las cintas de ADN adoptan un enfoque diferente. Como un editor de video, "etiquetan" los eventos de una celda con un código de barras formado por letras de ADN, un poco como una marca de tiempo. Shipman no es ajeno al uso del ADN como dispositivo de almacenamiento. En 2017, trabajando con el biólogo sintético Dr. George Church en Harvard y el equipo, codificaron una película digital sobre el genoma de bacterias vivas utilizando CRISPR.
Un diario de ADN
El nuevo estudio tenía un objetivo relativamente simple: como una cámara disparada por movimiento, comenzar a grabar cada vez que se enciende un gen en particular.
Para diseñar Retro-Cascorder, el equipo recurrió a un elemento genético enigmático, los retrones. Estos son pequeños fragmentos de ADN bacteriano que desconcertaron a los científicos durante décadas, antes de darse cuenta de que forman parte del sistema inmunológico de una bacteria. De vuelta en 2021, el coautor del estudio Church transformó los retrones de una extraña peculiaridad bacteriana en una herramienta de edición de genes que puede detectar millones de variaciones de ADN y seguir sus efectos al mismo tiempo. De manera crucial, se dieron cuenta de que los retrones se pueden usar como etiquetas para marcar un cambio genético particular en el tiempo.
Aquí, el equipo comenzó diseñando retrones para producir etiquetas de ADN específicas, como imprimir una serie de códigos de barras para marcar paquetes. Las etiquetas están vinculadas a promotores de ADN que, como un semáforo, le dan a la célula el visto bueno para activar un gen.
Una vez que se activa un gen, el retron genera automáticamente un código de barras único que certifica su actividad. Es un proceso de varios pasos: la etiqueta, originalmente codificada en ADN, primero se transcribe en ARN por la célula y luego se vuelve a escribir en "registro" de ADN mediante retrones.
Piensa en la caja registradora de un restaurante. Eso es el equivalente a imprimir un pedido, en un momento determinado, con un recibo.
Después de verificar que la tecnología funciona como se esperaba, el equipo pasó a hacer "películas" de una celda usando etiquetas basadas en retron. No es un video en el sentido tradicional: el equipo aún tuvo que analizar los códigos de barras al final de una sesión de grabación, alrededor de 24 horas, para reproducirlos, lo que destruye las células.
Hacer un seguimiento de los cambios en la expresión génica en una instantánea en el tiempo es relativamente simple. Hacer un seguimiento de los mismos cambios a lo largo de un día es mucho más difícil. Para construir una especie de "memoria" para la grabadora, el equipo recurrió a CRISPR-Cas. Aquí, las matrices CRISPR actúan como el diario, mientras que los retrones actúan como entradas diarias. Los recibos de ADN, generados por retrones, se incorporan a una matriz CRISPR. Al igual que las cintas de casete, contienen datos seguidos de espaciadores, como una pantalla negra, para ayudar a separar los eventos. A medida que se agrega nueva información, los espaciadores anteriores se alejan más de la entrada más cercana, lo que permite descifrar una línea de tiempo de eventos.
Las células con la capacidad de usar CRISPR para escribir datos genéticos “pueden registrar progresivamente eventos celulares… en cintas de ADN”, dijo Yachie.
En una prueba de concepto, el equipo introdujo Retro-Cascorder en Escherichia coli (E. Coli), la bacteria favorita del laboratorio, a través de la ingeniería genética. La incorporación de la nueva construcción fue muy fácil para el insecto y una buena señal para los científicos, ya que sugiere poco estrés o toxicidad para las células.
Luego activaron uno o ambos promotores de ADN usando químicos, como hacer clic en "grabar" en un Walkman. Durante 48 horas, el sistema registró los cambios de expresión génica como se esperaba en la matriz CRISPR. Después de profundizar en la secuencia de matrices CRISPR, es decir, leerlas después, descubrieron que el historial de la celda progresó como se esperaba.
Toda una historia tuya
La nueva cinta de ADN es como grabar pequeños fragmentos de una película a través del tiempo. Pero está extrañamente editado. Si bien el Retro-Cascorder puede indicar la secuencia de activaciones de genes, no puede señalar el lapso de tiempo entre dos eventos adyacentes. Al igual que en un video casero, un clip de un ensayo de baile seguido de una cena puede ser el mismo día; o años de diferencia.
Pero en comparación con intentos anteriores, la cinta es un salto tecnológico, con mejores señales, mayor duración de grabación y mejor reproducción.
“Este no es un sistema perfecto todavía, pero creemos que seguirá siendo mejor que los métodos existentes, que solo permiten medir un evento a la vez”, dijo Shipman.
La carrera por el documentalista celular perfecto está en marcha, y la mayoría tiene CRISPR en su centro. Para Yachie, una forma es reemplazar el bueno-ole'-CRISPR con editores de bases or primer CRISPR, los cuales causan menos daño al genoma de la célula. La “VCR” biológica, que lee la expresión registrada de un gen, también necesita una actualización, potencialmente impulsada por una mejor destreza informática.
Cuando estén más perfeccionados, los registradores de ADN podrían ayudarnos a rastrear la trayectoria de desarrollo de los mini-cerebros y otros organoides, estudiar las células cancerosas a medida que evolucionan, monitorear los contaminantes ambientales en las células, todo sin poner vidas en juego.
Crédito de la imagen: immo wegmann / Unsplash
