Los biólogos sintéticos están ajustando los genomas de microorganismos con circuitos de genes sintéticos para descomponer los plásticos contaminantes, diagnosticar y tratar de forma no invasiva infecciones en el intestino humano, y generar productos químicos y nutrición en vuelos espaciales de larga distancia. Aunque es muy prometedor en el laboratorio, Estas tecnologías requieren medidas de control y seguridad que aseguren que los microorganismos diseñados mantengan intactos sus circuitos genéticos funcionales en muchas divisiones celulares. y que estén contenidos en los entornos específicos para los que están diseñados.

Esfuerzos pasados ​​en el Instituto Wyss de Ingeniería Biológicamente Inspirada de Harvard, dirigido por los miembros de la Facultad Central Pamela Silver y James Collins, han creado "interruptores de muerte" en las bacterias que hacen que se suiciden en condiciones de laboratorio cuando ya no son deseadas. "Necesitábamos llevar nuestro trabajo anterior más allá y desarrollar interruptores de interrupción que sean estables a largo plazo y que también sean útiles en aplicaciones del mundo real". "dijo Silver, quien también es el profesor Elliot T. y Onie H. Adams de Bioquímica y Biología de Sistemas en la Escuela de Medicina de Harvard (HMS). Su equipo de investigación ahora informa en Célula molecular dos nuevos tipos de interruptores de interrupción que abordan estos desafíos. Los nuevos interruptores de la muerte son autosuficientes y altamente estables en las poblaciones bacterianas que evolucionan, y duran muchas generaciones. Pueden garantizar que solo sobrevivan las bacterias con circuitos genéticos sintéticos intactos, o confinar las bacterias a un entorno objetivo a 37 ° C (temperatura corporal) mientras las induce a morir a temperaturas más bajas, como se demostró durante la salida bacteriana del tracto intestinal de un ratón.

Para el primer tipo de interruptor de apagado, el "Esencializador", El equipo de Silver aprovechó su "elemento de memoria" previamente diseñado que permite que la bacteria E. coli recuerde un encuentro con un estímulo específico en su entorno. El elemento de la memoria, derivado de un virus que infecta bacterias llamado bacteriófago lambda, o permanece en silencio o informa la ocurrencia de una señal activando permanentemente un transgén reportero visible que los científicos pueden rastrear. La señal puede ser cualquier molécula, por ejemplo, una citocina inflamatoria en el intestino o una toxina en el medio ambiente.

En su estudio reciente, El equipo ideó una forma que garantiza que el elemento de memoria no se pierda del genoma durante la evolución de la población bacteriana durante más de cien generaciones. Durante ese tiempo, los genomas de las bacterias individuales adquieren mutaciones aleatorias, que también podría ocurrir potencialmente en el elemento de memoria, destruyéndolo a su paso. Los investigadores introdujeron el Essentializer como un elemento separado en otra ubicación del genoma de la bacteria. Mientras el elemento de memoria permanezca intacto, cualquiera de los dos factores bacteriófagos que controlan su función también inhibe la expresión de un gen de toxina codificado por el Essentializer. Sin embargo, el gen de la toxina permanece algo "con fugas", sigue produciendo cantidades residuales de toxina que pueden matar la célula. Para mantener a raya esos niveles residuales de toxinas, los investigadores incluyeron un segundo gen en su interruptor de muerte, que produce niveles bajos de una antitoxina que puede neutralizar pequeñas cantidades de la toxina.

"Al vincular la función del elemento de memoria a la del esencializador, básicamente vinculamos la supervivencia de la bacteria E. coli a la presencia del elemento de memoria. La eliminación del elemento de memoria del genoma bacteriano, que también elimina los dos factores de fagos supresores de toxinas, activa inmediatamente el interruptor de la muerte para producir grandes cantidades de toxina que abruman a la antitoxina y eliminan las bacterias afectadas de la población, "dijo el primer autor Finn Stirling, un estudiante de posgrado que trabaja con Silver. "Para crear este sofisticado sistema de controles y contrapesos, también nos aseguramos de que los interruptores de interrupción permanecieran completamente intactos, que es un requisito previo importante para futuras aplicaciones; verificamos que todavía eran funcionales después de unas 140 divisiones celulares ".

El segundo tipo de interruptor de muerte que el equipo llama "Cryodeath" es capaz de confinar las bacterias a un rango de temperatura específico usando la misma combinación de toxina / antitoxina pero regulándola de manera diferente. Mientras que de nuevo, se produjeron niveles bajos de antitoxina, el gen de la toxina se vinculó a una secuencia reguladora que confiere sensibilidad al frío. Cambiando las bacterias de 37 ° C, donde se supone que prosperarán, hasta 22 ° C, Potentemente indujo la expresión de la toxina y mató a las bacterias. En experimentos seminales de prueba de concepto, el equipo demostró la utilidad de Cryodeath in vivo. Después de introducir una cepa de E. coli que contiene el interruptor de la muerte en ratones, solo 1 de 100, 000 bacterias fueron viables en muestras fecales. "Este avance nos acerca significativamente a las aplicaciones del mundo real de microbios modificados sintéticamente en el cuerpo humano o el medio ambiente. Ahora estamos trabajando hacia combinaciones de interruptores de muerte que puedan responder a diferentes estímulos ambientales para proporcionar un control aún más estricto". "dijo Silver.

"Este estudio muestra cómo nuestros equipos están aprovechando la biología sintética no solo para reprogramar microbios para crear dispositivos celulares vivos que puedan llevar a cabo funciones útiles para la medicina y la remediación ambiental, pero hacer esto de una manera que sea segura para todos, "dijo el director fundador del Instituto Wyss, Donald Ingber, MARYLAND., Doctor., quien también es el Profesor Judah Folkman de Biología Vascular en HMS y el Programa de Biología Vascular en el Boston Children's Hospital, así como profesor de Bioingeniería en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard (SEAS).