Los genes de nuestro cuerpo trabajan juntos para regular el comportamiento de nuestras células. Por ejemplo, si te despellejas la rodilla, tus genes usan un sistema de mensajería química para dirigir un ejército de células para curar la abrasión. Si los científicos pudieran crear genes artificiales que pudieran realizar las mismas funciones pero operar dentro de materiales en lugar de organismos, sería posible una amplia variedad de nuevos materiales de diagnóstico y autocuración.

Un equipo dirigido por la ingeniera de Johns Hopkins, Rebecca Schulman, está sentando las bases para ese trabajo mediante la ingeniería de sistemas químicos sintéticos que pueden emular los comportamientos complejos de las redes de genes naturales. Su trabajo apareció recientemente en Nature Chemistry .

"Las células usan genes para decidir cómo moverse, crecer y actuar. La capacidad de crear 'genes' simples que podrían tomar decisiones por sí mismos podría conducir a mejores diagnósticos o terapias, o incluso proporcionar formas de construir nuevos tipos de robots de materiales blandos". que están controlados por la química en lugar de la electrónica", dijo Schulman, quien es profesor asociado de ingeniería química y biomolecular e investigador asociado en el Instituto de NanoBioTecnología de la Escuela de Ingeniería de Whiting.

El cuerpo humano se compone de unos 25.000 genes, y las interacciones químicas que utilizan estos genes para regular las células tienen muchos pasos y partes móviles. Los investigadores han aprendido que no necesitan recrear meticulosamente cada uno de estos pasos biológicos naturales para crear análogos de genes sintéticos capaces de realizar las mismas funciones. Para mejorar y predecir mejor el comportamiento de los análogos de genes, Schulman y su equipo crearon un conjunto de herramientas moleculares que incluye genelets (genes muy pequeños cuyas funciones pueden variar, según las instrucciones) y modelos matemáticos simplificados que predicen cómo se comportarán los genelets.

El sistema genelet simplificado del equipo utiliza ADN, la suma de la información genética de un organismo; el ARN, que transmite información genética a las partes de una célula que producen proteínas; una enzima polimerasa que transcribe el ADN para hacer copias de ARN; y una enzima RNasa que degrada el ARN. Usando solo estos elementos simples, el sistema del equipo de Schulman puede adaptarse y restablecerse a medida que cambia el entorno, tal como lo hacen los genes naturales en el cuerpo.

"Uno de los desafíos es que los componentes que componen el ADN y el ARN no siempre se comportan como se predijo", explica. "También algunos componentes, como las enzimas de polimerasa, son simples y fáciles de trabajar, pero difíciles de controlar. Esto dificulta la ingeniería de sistemas que produzcan los resultados que queremos".

Para evitar reacciones no deseadas, el equipo de Schulman creó un modelo matemático simple que asume que todos los componentes se comportan de la misma manera. Luego, para construir un sistema químico que siguiera la predicción del modelo simple, identificaron sistemáticamente reacciones no deseadas y las suprimieron modificando regiones de ADN monocatenario.

"Por lo general, las reacciones no deseadas provienen de la enzima polimerasa, ya que es bastante reactiva a los componentes del ADN", dijo Samuel Schaffter, autor principal del trabajo y alumno de Johns Hopkins. Es becario postdoctoral en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología.

El equipo evaluó los componentes potenciales para la actividad que querían y omitió los que se desviaban significativamente del rendimiento esperado. Esto, combinado con las modificaciones químicas para evitar reacciones no deseadas, produjo una biblioteca de unos 15 genes con un rendimiento estándar universal.

Utilizaron estos componentes estándar para diseñar redes que ejecutan tareas clave observadas en las células, como tareas que guían a las células durante el desarrollo, así como redes con capacidad de memoria. Sus resultados se alinearon notablemente bien con las predicciones de su modelo simple, lo que indica el poder de la ingeniería utilizando componentes con rendimiento estandarizado.

Los investigadores ahora están trabajando para usar estos sistemas químicos para controlar el comportamiento de las nanoestructuras, las nanopartículas y los hidrogeles, que podrían usarse en diagnósticos avanzados y, quizás, algún día, en la electrónica de autorreparación. Esperan que este conjunto de herramientas inspire nuevas aplicaciones en otros grupos de investigación y desarrollaron un paquete de software disponible en GitHub. Los usuarios pueden simular rápidamente cualquier red y producir secuencias de ADN para probar en el laboratorio.

"Queremos hacer que este sistema sea lo más fácil posible para que lo usen otros investigadores", dijo Schaffter, "Estamos convergiendo en un sistema que ya no está limitado por los desafíos experimentales y nuestro objetivo es que la única limitación sea la imaginación del investigador". ." + Explora más

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