La investigación que está en línea en Nature Communications es una bendición para los científicos de la vida que sistemáticamente diseñan bacterias y otros organismos para realizar tareas que no realizarían naturalmente.

"Los probióticos son un ejemplo" dijo Matthew Bennett, profesor asociado de biociencias en Rice y codirector científico del nuevo estudio. "Son bacterias intestinales beneficiosas que son esenciales para la salud humana, y muchos biólogos sintéticos están buscando formas de diseñar probióticos que puedan diagnosticar o combatir enfermedades. Tales probióticos diseñados podrían producir fármacos u otras moléculas complejas dentro del cuerpo humano para luchar contra enfermedades que van desde el cáncer a la enfermedad inflamatoria intestinal ".

Producir drogas cuando y donde se necesitan en el cuerpo abriría nuevas puertas para combatir las enfermedades, pero, dijo Bennett, los biólogos sintéticos han luchado por diseñar circuitos que sean lo suficientemente precisos para la administración de medicamentos.

"Los biólogos sintéticos necesitan crear genes [VIDEO]que se enciendan o apaguen en respuesta a señales ambientales", dijo. "Estos actúan como sensores, lo que permite que el probiótico produzca el fármaco cuando es necesario en función de señales ambientales ".

Utilizando la bacteria Escherichia coli, Bennett, el estudiante de posgrado Ye Chen, los investigadores postdoctorales Joanne Ho y David Shis y sus colegas de la Universidad de Houston, emplearon bloques moleculares modulares para crear promotores que activan y desactivan genes tanto como sea necesario.

Circuitos genéticos

Son como circuitos eléctricos de alguna manera, los interruptores para encenderlos y apagarlos son mucho más complicados. Por sí mismos, los genes no pueden producir las proteínas que codifican. En cambio, las enzimas especializadas leen los genes y eliminan las proteínas en función de lo que leen. Los promotores genéticos son otro especialista en este proceso.

"Un promotor maneja un gen", dijo Bennett. "Inicia la descodificación y determina cuándo se activa o desactiva el gen.

Los biólogos sintéticos

Han estado diseñando regiones promotoras para responder a diferentes señales químicas, pero nos hemos quedado con lo que la naturaleza nos ha dado", dijo. "Un promotor natural que responda a una sustancia química podría no comportarse bien cuando se usa en un circuito genético sintético. Puede que no active o desactive el gen objetivo tanto como quisiéramos. Si una bacteria quiere detectar una señal química particular, encenderá o apagará un gen de la manera que lo necesita.

Podría encenderlo un poco, o podría encenderlo mucho. No teníamos mucho control sobre eso antes .

Además, dijo Bennett, muchos promotores tienen "filtraciones" en el sentido de que incluso cuando desconectan un gen aún producen pequeñas cantidades de proteína.

"Hay razones evolutivas por las que puede surgir una fuga en la naturaleza, pero cuando se está diseñando un circuito, se necesita más precisión", dijo.

Los promotores son regiones de ADN que forman parte del manual de instrucciones de la línea de dirección y parte. No solo le dicen a las proteínas de transcripción dónde comenzar a leer un gen, sino que también regulan cuán fuertemente se activa el gen, si produce mucho o un poco de proteína. Utilizando un enfoque modular, el equipo de Bennett desarrolló un esquema de diseño para crear promotores no rápidos que encienden tanto como sea necesario.

Los matemáticos de la Universidad de Houston Krešimir Josić, Chinmaya Gupta y William Ott calcularon algunas de las propiedades específicas que se necesitarían para cada bloque de construcción y trabajaron con los miembros del equipo de Rice que los diseñaron, crearon y probaron en E. coli. Varios bloques se mezclaron y se combinaron para formar una biblioteca de promotores, cada uno de los cuales se diseñó para reaccionar de una manera específica a uno o más insumos químicos.

Por ejemplo, en un circuito genético, un gen puede programarse para encenderse cuando recibe una señal específica, y el producto de ese gen puede ser una proteína de molécula pequeña que a su vez activa o desactiva otro gen. Al unir conjuntos completos de estos genes, los biólogos sintéticos pueden construir circuitos complejos.

"Esta capacidad es clave para construir circuitos reguladores de genes sintéticos que requieren relaciones precisas de entrada y salida", escribieron Bennett y sus colegas en su documento de Nature Communications. "Este documento proporciona un medio simple y rentable de promotores de ingeniería que proporcionan rangos dinámicos definidos por el usuario, que permitirán el ajuste fino del flujo metabólico dentro de los circuitos biológicos y químicos sintéticos dentro de las células [VIDEO]vivas".

Bennett dijo que otro elemento clave del proyecto era diseñar promotores que pudieran activarse solo en presencia de dos o más señales.

"La naturaleza nos brinda solo algunos ejemplos de promotores que usan múltiples entradas, por lo que el diseño de promotores de entradas múltiples no ficticios y fáciles de usar fue una gran prioridad para nosotros", dijo.