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    Los biólogos crean un conjunto de herramientas para sintonizar circuitos genéticos

    Escherichia coli. Crédito:NIAID

    Los científicos de la Universidad de Rice han creado un conjunto de herramientas para biólogos sintéticos que necesitan ajustar con precisión los niveles de entrada y salida de los circuitos genéticos.

    La investigación, que está en línea en Nature Communications, es una bendición para los científicos de la vida que diseñan sistemáticamente bacterias y otros organismos para realizar tareas que naturalmente no harían.

    "Los probióticos son un ejemplo, "dijo Matthew Bennett, profesor asociado de biociencias en Rice y científico co-líder del nuevo estudio. "Son bacterias intestinales beneficiosas que son esenciales para la salud humana, y muchos biólogos sintéticos están buscando formas de diseñar probióticos que puedan diagnosticar o combatir enfermedades. Estos probióticos modificados podrían producir fármacos u otras moléculas complejas dentro del cuerpo humano para combatir enfermedades que van desde el cáncer hasta la enfermedad inflamatoria intestinal ".

    Producir medicamentos cuando y donde se necesitan en el cuerpo abriría nuevas puertas para combatir las enfermedades, pero, Bennett dijo:Los biólogos sintéticos han luchado por diseñar circuitos que sean lo suficientemente precisos para la administración de fármacos.

    "Los biólogos sintéticos necesitan crear genes que se enciendan o apaguen en respuesta a señales ambientales, ", dijo." Estos actúan como sensores, permitiendo que el probiótico produzca el fármaco cuando sea necesario en función de las señales ambientales ".

    Usando la bacteria Escherichia coli, Bennett, estudiante de posgrado Ye Chen, los investigadores posdoctorales Joanne Ho y David Shis y sus colegas de la Universidad de Houston, empleó bloques de construcción moleculares modulares para crear promotores que activan y desactivan genes tanto como sea necesario.

    Si bien los circuitos genéticos son como circuitos eléctricos de alguna manera, los interruptores para encenderlos y apagarlos son mucho más complicados. Por ellos mismos, los genes no pueden producir las proteínas que codifican. En lugar de, enzimas especializadas leen los genes y eliminan las proteínas basándose en lo que leen. Los promotores de genes son otro especialista en este proceso.

    "Un promotor impulsa un gen, ", Dijo Bennett." Inicia la decodificación y determina cuándo se enciende o se apaga el gen.

    "Los biólogos sintéticos han diseñado regiones promotoras para responder a diferentes señales químicas, pero nos hemos quedado estancados con lo que la naturaleza nos ha dado, ", dijo." Un promotor natural que responde a una sustancia química podría no comportarse bien cuando se utiliza en un circuito de genes sintéticos. Puede que no active o desactive el gen objetivo tanto como nos gustaría. Si una bacteria quiere detectar una señal química en particular, activará o desactivará un gen según sea necesario. Podría encenderlo un poco o podría encenderlo mucho. No teníamos mucho control sobre eso antes ".

    Además, Bennett dijo:muchos promotores tienen "fugas" en el sentido de que incluso cuando desactivan un gen, éste sigue produciendo pequeñas cantidades de proteína.

    "Hay razones evolutivas por las que pueden surgir fugas en la naturaleza, pero cuando estás diseñando un circuito, necesitas más precisión, " él dijo.

    Los promotores son regiones de ADN que forman parte de la línea de dirección y parte del manual de instrucciones. No solo le dicen a las proteínas de transcripción dónde empezar a leer un gen, pero también regulan la intensidad con la que se activa el gen, ya sea que produzca mucha o poca proteína. Usando un enfoque modular, El equipo de Bennett desarrolló un esquema de diseño para crear promotores sin fugas que se enciendan tanto como sea necesario.

    Matemáticos de la Universidad de Houston Krešimir Josić, Chinmaya Gupta y William Ott calcularon algunas de las propiedades específicas que serían necesarias para cada bloque de construcción y trabajaron con los miembros del equipo de Rice que diseñaron, los creó y probó en E. coli. Se mezclaron y emparejaron varios bloques para formar una biblioteca de promotores, cada uno de los cuales fue diseñado para reaccionar de una manera específica a uno o más insumos químicos.

    Por ejemplo, en un circuito genético, se puede programar un gen para que se encienda cuando reciba una señal específica, y el producto de ese gen puede ser una proteína de molécula pequeña que a su vez activa o desactiva otro gen. Al unir conjuntos completos de estos genes, Los biólogos sintéticos pueden construir circuitos complejos.

    "Esta capacidad es clave para construir circuitos reguladores de genes sintéticos que requieren relaciones precisas de entrada y salida, "Bennett y sus colegas escribieron en su artículo de Nature Communications." Este artículo proporciona una medios rentables de promotores de ingeniería que proporcionan rangos dinámicos definidos por el usuario, lo que permitirá el ajuste fino del flujo metabólico dentro de los circuitos químicos y biológicos sintéticos dentro de las células vivas ".

    Bennett dijo que otro elemento clave del proyecto era diseñar promotores que pudieran activarse solo en presencia de dos o más señales.

    "La naturaleza nos da solo algunos ejemplos de promotores que utilizan múltiples insumos, tan diseñando sin fugas, Los promotores de múltiples entradas fáciles de usar fueron una alta prioridad para nosotros, " él dijo.


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