En una nueva Comunicaciones de la Naturaleza En el estudio, los investigadores han explorado la construcción de circuitos genéticos en moléculas individuales de ADN, demostrando la síntesis de proteínas localizadas como principio rector para los nanodispositivos disipativos, ofreciendo información sobre el diseño de células artificiales y las aplicaciones de la nanobiotecnología.
El término "circuito genético" es una descripción metafórica de la compleja red de elementos genéticos (como genes, promotores y proteínas reguladoras) dentro de una célula que interactúan para controlar la expresión genética y las funciones celulares.
En el ámbito del diseño de células artificiales, los científicos pretenden replicar y diseñar estos circuitos genéticos para crear unidades funcionales y autónomas. Estos circuitos actúan como maquinaria molecular responsable de orquestar los procesos celulares regulando con precisión la producción de proteínas y otras moléculas.
Al comprender y manipular estos circuitos, los investigadores pueden diseñar células artificiales con comportamientos programables, imitando las funcionalidades de las células naturales.
En el contexto del estudio mencionado, la atención se centra en la construcción de circuitos genéticos en moléculas individuales de ADN. Esto representa un enfoque novedoso ya que se aleja del contexto celular tradicional y explora la posibilidad de crear circuitos genéticos en condiciones libres de células.
El primer autor, el Dr. Ferdinand Greiss, del Instituto Weizmann de Ciencias de Israel, explicó a Phys.org la motivación de los investigadores:"Estamos tratando de reconstituir procesos biológicos fuera de los complejos circuitos de las células vivas, con suerte mejorando nuestra comprensión de los principios rectores de la naturaleza. La investigación está dirigida a la construcción de futuras células artificiales, y moléculas individuales de ADN podrían ser la base genética para ello."
La regulación genética es el proceso mediante el cual las células controlan la expresión de los genes, determinando cuándo y en qué medida la información de un gen se utiliza en la síntesis de moléculas funcionales como proteínas o ARN. Desempeña un papel crucial en el mantenimiento de las funciones celulares, respondiendo a los cambios ambientales y garantizando un desarrollo adecuado.
La regulación de la expresión génica implica transcripción y traducción. Durante la transcripción, un segmento específico de ADN sirve como plantilla para la síntesis de moléculas de ARNm complementarias por la ARN polimerasa. Este ARNm transporta el código genético desde el núcleo hasta el citoplasma, donde se produce la traducción.
La traducción implica la conversión de ARNm en proteínas. Los ribosomas leen la secuencia del ARNm, facilitando el ensamblaje de los aminoácidos en una cadena polipeptídica, formando la proteína codificada por el gen.
"En los sistemas procarióticos, los procesos de transcripción y traducción están acoplados. Esto significa que una vez que la ARN polimerasa produce ARNm a partir del ADN, el ribosoma puede encontrar el sitio de unión ribosómica en el ARNm naciente para comenzar a sintetizar la proteína. La proteína naciente puede plegarse y funcionar mientras todavía está unida al ADN por el complejo ARN polimerasa-ARNm-ribosoma, después de la terminación de la transcripción o traducción, la proteína naciente se desprende del ADN y se dispersa en la solución a granel", explicó la coautora, la Dra. Shirley Shulman Daube, de la Universidad de Illinois. Instituto Weizmann de Ciencias en Israel.
La importancia radica en la mayor concentración local de proteínas nacientes, que es aproximadamente 1.000 veces mayor que la solución a granel circundante. Esta organización espacial y aumento de la concentración podrían tener implicaciones para las funciones celulares y potencialmente desempeñar un papel en la construcción de células artificiales utilizando moléculas de ADN individuales.
"Los circuitos genéticos se basan en moléculas codificadas genéticamente, como los factores de transcripción, que se producen a partir del ADN y se unen nuevamente al ADN para regular su propia producción y la de otras moléculas", dijo el coautor Dr. Vincent Noireaux de la Universidad de Minnesota. .
Para construir el circuito genético en una sola molécula de ADN, los investigadores diseñaron secuencias específicas con genes del bacteriófago lambda (E. coli).
El circuito genético implicaba una cascada negativa, guiada por el gen represor CI y su sitio de unión operador, que controlaba intrincadamente el gen HT. Este gen HT codifica la proteína HaloTag (HT), un elemento crucial para visualizar proteínas nacientes en moléculas de ADN individuales.
El estudio implementó condiciones estrictas, incluida una baja densidad de la superficie del ADN, para garantizar una síntesis de proteínas localizada y precisa.
Simultáneamente, se desarrolló una cascada positiva con la fusión de la ARN polimerasa del bacteriófago T7 (HT-T7 RNAP) y la proteína HT, lo que permitió la monitorización en tiempo real de la expresión genética a través de un gen informador posterior, GFP.
Un tinte fluorogénico de color rojo lejano (MaP655-Halo) mejoró la detección de proteínas nacientes, proporcionando una visión completa de la dinámica del circuito genético.
La cascada negativa, o supresión, regula e inhibe la producción de proteínas específicas bajo determinadas condiciones. Por otro lado, las cascadas positivas contribuyen a la activación y expresión de genes específicos dentro del circuito genético.
La investigación fue más allá de la mera observación e incorporó un circuito de retroalimentación con un represor dCro sintético. Este componente fue crucial en la regulación de la expresión genética a través de un promotor sintético meticulosamente diseñado.
Los investigadores descubrieron que la síntesis de proteínas localizada en una sola molécula de ADN puede impulsar circuitos genéticos en condiciones libres de células sin el confinamiento de compartimentos celulares. La dinámica de los circuitos genéticos fue observada meticulosamente en condiciones muy diluidas.
El autor principal, el Dr. Roy Bar-Ziv, del Instituto Weizmann de Ciencias de Israel, destacó la importancia de sus hallazgos:"La regulación de la expresión genética depende de que las proteínas se unan al ADN, bloqueando o aumentando la actividad de un gen. La unión requiere alta concentraciones de proteínas para encontrar y unirse a secuencias específicas en la molécula de ADN. Inesperadamente, encontramos que la síntesis de proteínas localizadas puede aumentar transitoriamente la concentración el tiempo suficiente para que las proteínas hagan lo mismo sin confinamiento celular".
En esencia, el hallazgo desafía la noción convencional de que las altas concentraciones son esenciales para la regulación genética, introduciendo un aspecto novedoso de la síntesis de proteínas localizadas como medio para influir en los circuitos genéticos en condiciones libres de células.
Para trabajos futuros, los investigadores prevén aprovechar la síntesis de proteínas localizadas como principio rector para mejorar la funcionalidad de células artificiales construidas a partir de moléculas de ADN individuales, abordando desafíos en concentraciones bajas. También prevén aplicaciones potenciales en nanodispositivos autocodificados y planean explorar las correlaciones entre la estructura del ADN, la dinámica de la expresión genética y la síntesis de proteínas.
La investigación también contó con contribuciones de Nicolas Lardon con el Prof. Kai Johnsson del MPI de Investigación Médica, quien desarrolló el tinte fluorogénico (MaP655-Halo); Yoav Barak, que ayudó a optimizar la preparación del ADN; y Leonie Schütz con el Prof. Elmar Weinhold, quien fue pionero en el desarrollo de metiltransferasas para modificaciones de ADN específicas de sitio con biotinas.
Más información: Ferdinand Greiss et al, Un circuito genético en una sola molécula de ADN como nanodispositivo disipativo autónomo, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-45186-2
Información de la revista: Comunicaciones sobre la naturaleza
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