A través de algunos ingeniosos trucos moleculares, investigadores del Centro Médico de la Universidad de Columbia han convertido un sistema inmunológico bacteriano natural en un registrador de datos microscópicos, sentando las bases para una nueva clase de tecnologías que utilizan células bacterianas para todo, desde el diagnóstico de enfermedades hasta el monitoreo ambiental.

Los investigadores modificaron una cepa de laboratorio ordinaria del omnipresente microbio intestinal humano. Escherichia coli , permitiendo que las bacterias no solo registren sus interacciones con el medio ambiente, sino que también registren los eventos.

"Tales bacterias, tragado por un paciente, podrían registrar los cambios que experimentan en todo el tracto digestivo, dando una visión sin precedentes de fenómenos previamente inaccesibles, "dice Harris Wang, profesor asistente en el Departamento de Patología y Biología Celular y Biología de Sistemas en CUMC y autor principal del nuevo trabajo, descrito en el número de hoy de Ciencias . Otras aplicaciones podrían incluir sensores ambientales y estudios básicos en ecología y microbiología, donde las bacterias podrían monitorear cambios que de otro modo serían invisibles sin alterar su entorno.

Wang y los miembros de su laboratorio crearon el registrador de datos microscópicos aprovechando CRISPR-Cas, un sistema inmunológico en muchas especies de bacterias. CRISPR-Cas copia fragmentos de ADN de virus invasores para que las generaciones posteriores de bacterias puedan repeler estos patógenos de manera más eficaz. Como resultado, el locus CRISPR del genoma bacteriano acumula un registro cronológico de los virus bacterianos que él y sus ancestros han sobrevivido. Cuando esos mismos virus intenten infectar de nuevo, el sistema CRISPR-Cas puede reconocerlos y eliminarlos.

"El sistema CRISPR-Cas es un dispositivo de memoria biológica natural, ", dice Wang." Desde una perspectiva de ingeniería, eso es bastante agradable, porque ya es un sistema que se ha perfeccionado a través de la evolución para que sea realmente excelente para almacenar información ".

CRISPR-Cas normalmente usa sus secuencias grabadas para detectar y cortar el ADN de los fagos entrantes. La especificidad de esta actividad de corte de ADN ha convertido a CRISPR-Cas en el favorito de los investigadores de terapia génica. que lo han modificado para realizar cambios precisos en los genomas de las células cultivadas, animales de laboratorio, e incluso humanos. En efecto, Actualmente se están realizando más de una docena de ensayos clínicos para tratar diversas enfermedades mediante la terapia génica CRISPR-Cas.

Pero Ravi Sheth, un estudiante de posgrado en el laboratorio de Wang, vio un potencial no realizado en la función de grabación de CRISPR-Cas. "Cuando piensas en grabar señales que cambian temporalmente con dispositivos electrónicos, o una grabación de audio ... esa es una tecnología muy poderosa, pero estábamos pensando ¿cómo se puede escalar esto a las propias células vivas? ", dice Sheth.

Para construir su grabadora microscópica, Sheth y otros miembros del laboratorio de Wang modificaron un fragmento de ADN llamado plásmido, dándole la capacidad de crear más copias de sí mismo en la célula bacteriana en respuesta a una señal externa. Un plásmido de grabación separado, que impulsa la grabadora y marca el tiempo, expresa componentes del sistema CRISPR-Cas. En ausencia de una señal externa, solo el plásmido de registro está activo, y la célula agrega copias de una secuencia espaciadora al locus CRISPR en su genoma. Cuando la célula detecta una señal externa, el otro plásmido también se activa, lo que lleva a la inserción de sus secuencias en su lugar. El resultado es una mezcla de secuencias de fondo que registran el tiempo y secuencias de señales que cambian según el entorno de la célula. Luego, los investigadores pueden examinar el locus CRISPR bacteriano y usar herramientas computacionales para leer la grabación y su sincronización.

El documento actual demuestra que el sistema puede manejar al menos tres señales simultáneas y grabar durante días.

"Ahora estamos planeando observar varios marcadores que podrían alterarse con cambios en los estados naturales o patológicos, en el sistema gastrointestinal o en otro lugar, "dice el Dr. Wang.

Los biólogos sintéticos han utilizado anteriormente CRISPR para almacenar poemas, libros, e imágenes en el ADN, pero esta es la primera vez que se utiliza CRISPR para registrar la actividad celular y la sincronización de esos eventos.

los Ciencias el papel se titula, "Grabación multiplex de eventos celulares durante 1 vez en una cinta biológica CRISPR".