mayo 16, 2022

Seguimiento del desarrollo de un tumor utilizando la memoria de bacterias

Investigadores de la Universidad Tecnológica de Delft han descubierto cómo ciertas proteínas mantienen actualizada la memoria de una bacteria. Esto es fundamental para las bacterias, ya que su memoria las protege de los ataques de los bacteriófagos, sus enemigos naturales. También es interesante para nosotros los humanos, ya que el sistema se puede convertir en un ‘registrador de ADN’: una especie de diario biológico que registra lo que sucede en una célula. 

Un registrador de ADN de este tipo podría, por ejemplo, utilizarse para controlar cómo se desarrolla un tumor a lo largo del tiempo. Ya se han construido los primeros registradores de ADN, pero son ineficientes y no funcionan en células humanas. El nuevo conocimiento fundamental de la formación de la memoria bacteriana obtenido por los investigadores de Delft se puede utilizar para desarrollar la próxima generación de registradores de ADN. Los hallazgos se han publicado en Nature .

han descubierto cómo ciertas proteínas mantienen actualizada la memoria de una bacteria. Esto es fundamental para las bacterias, ya que su memoria las protege de los ataques de los bacteriófagos, sus enemigos naturales

A pesar de que investigadores de todo el mundo están utilizando CRISPR-Cas9 para la edición de genes, todavía quedan muchas preguntas abiertas sobre el funcionamiento preciso de los sistemas CRISPR y las proteínas involucradas. Esto se debe a que CRISRP-Cas9 no es una herramienta molecular creada por el hombre, sino un mecanismo de defensa biológico que protege a las bacterias contra sus archienemigos: los bacteriófagos, los virus de las bacterias.

Carrera contra el tiempo

Cuando los bacteriófagos encuentran una bacteria en la naturaleza, se aferran a ella e inyectan su ADN en la célula. Entonces, comienza una carrera contra el tiempo. Si una bacteria no reconoce y destruye el ADN hostil a tiempo, el bacteriófago secuestra la célula y la usa para hacer copias de sí misma, lo que finalmente hace que la bacteria explote. Los bacteriófagos recién liberados comienzan a buscar a su próxima víctima.

Para reconocer el ADN hostil antes de que sea demasiado tarde, una bacteria depende de su memoria. Ciertas proteínas Cas tienen la tarea de almacenar fragmentos de ADN hostil en el genoma bacteriano. «Esto se hace en un lugar llamado ‘matriz CRISPR'», dice el líder del grupo Chirlmin Joo de la Universidad Tecnológica de Delft. 

La matriz CRISPR es una especie de libro de registro que describe qué enemigo atacó a la bacteria, en forma de fragmentos de ADN hostil separados por una cadena recurrente de nucleótidos. Si la memoria de una bacteria contiene un fragmento del ADN de un bacteriófago, tiene la capacidad de reconocer rápidamente y volver inofensivo cualquier ADN hostil en caso de que el mismo bacteriófago organice otro ataque.

Derivación

«El problema para las bacterias es que los bacteriófagos evolucionan constantemente, tratando de eludir el sistema inmunológico bacteriano», dice Joo. «Por lo tanto, es fundamental que las bacterias mantengan actualizada su memoria». Dos proteínas cooperantes están involucradas en este proceso: Cas1 y Cas2. Estas proteínas recortan fragmentos de ADN hostil, lo que hace posible que la información genética se almacene en la memoria de la bacteria: la matriz CRISPR.

Los investigadores de Delft ahora han descubierto cómo las proteínas Cas 1 y 2 hacen esto. Parece que se requiere más que solo las dos proteínas Cas. Entre otras cosas, los investigadores han descubierto que está involucrada una enzima que también juega un papel importante en otros procesos celulares. 

Esta enzima se llama ‘ADN-polimerasa III’ y es conocida por su papel en la replicación del ADN, la copia del ADN. «La ADN polimerasa tiene una especie de función de retroceso para cuando comete un error al copiar el ADN», explica Joo. «Hemos descubierto que también utiliza esta función para recortar fragmentos de ADN hostil de tal manera que se puedan incorporar a la matriz CRISPR».

Además de descubrir que la ADN polimerasa juega un papel clave en la formación de la memoria en las bacterias, los investigadores también descubrieron qué propiedades deben tener los fragmentos de ADN hostil para permitir que las proteínas Cas hagan su trabajo. También descubrieron cómo las proteínas incorporan realmente estos fragmentos de ADN a la memoria bacteriana.

Libro de registro biológico

Este nuevo conocimiento fundamental sobre la formación de la memoria en las bacterias es importante para el desarrollo de una nueva técnica llamada «registro de ADN». «En los últimos años, varios grupos de investigación han demostrado que es posible construir una especie de libro de registro biológico basado en estos sistemas», dice el líder de la investigación Sungchul Kim.

La idea es que, con un sistema de este tipo, la información sobre los procesos celulares se pueda almacenar automáticamente en el ADN de esa célula. Dado que Cas1 y Cas2 almacenan información en orden cronológico, se podría determinar exactamente cómo, por ejemplo, un tumor se ha desarrollado al extraer algunas células del tumor y consultar su libro de registro biológico. Los médicos podrían utilizar estos valiosos datos de diagnóstico para elaborar un plan de tratamiento a medida.

Por el momento, el registro de ADN todavía está en pañales. «Ya se han desarrollado sistemas simples, pero no son eficientes y no pueden, por ejemplo, seguir varios procesos al mismo tiempo», dice Kim. Además, todavía no funcionan en células humanas. «Pero saber cómo funcionan Cas1 y Cas2 ahora nos da la información que necesitamos para comprender dónde salieron mal las cosas con las primeras grabadoras de ADN», continúa Kim. «Esto nos permite diseñar registradores más eficientes que también funcionan en células humanas».


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