Algunas de las herramientas más importantes en la caja de herramientas de los biólogos celulares modernos son fragmentos especiales de ADN que actúan como espías, informando sobre la función de la célula.
por Emily Velasco, Instituto de Tecnología de California
Los marcadores, conocidos como genes informadores, permiten a los investigadores tener una idea de lo que están haciendo las células observando cómo se activan y desactivan los programas genéticos integrados en su ADN.
Los genes informadores funcionan codificando proteínas que se pueden ver desde fuera de la célula. Un gen reportero particularmente popular codifica algo llamado proteína verde fluorescente (GFP), que, fiel a su nombre, es una proteína que brilla de color verde brillante. Entonces, si un investigador quiere aprender más sobre cómo las células se convierten en neuronas, pueden insertar el gen GFP junto con un gen neuronal en el ADN de un embrión. Cuando las células del embrión activan el gen de la neurona, también expresarán el gen GFP, y las células se iluminarán en verde, lo que facilitará al investigador ver que el programa genético que codifica la formación de neuronas está activo.
Por útil que haya sido esta técnica, tiene una gran limitación: debido a que la luz no penetra bien a través de la mayoría de los tejidos vivos, el gen GFP no puede usarse para monitorear la actividad de las células en el interior de un organismo. Pero ahora, Mikhail Shapiro de Caltech tiene una solución. Un equipo formado por Shapiro, profesor de ingeniería química e investigador del Heritage Medical Research Institute, el estudiante graduado Arash Farhadi y sus colegas, ha desarrollado un gen informador que les permite ver la actividad genética mediante ultrasonido, que puede penetrar profundamente a través del tejido. en lugar de luz
Describen el trabajo en un artículo en la revista Science .
Para desarrollar sus «genes indicadores acústicos», Farhadi y Shapiro tomaron prestadas proteínas de una especie de bacteria flotante que se forma y contiene pequeños compartimentos proteicos llenos de aire llamados vesículas de gas.
Además de tener flotabilidad, las vesículas de gas tienen otra propiedad útil: se muestran fuertemente en las imágenes por ultrasonido, como lo demostró el laboratorio de Shapiro en 2014. Si los investigadores pudieran encontrar una manera de diseñar una célula para formar estas nanoestructuras cuando un programa genético específico estaba activo, el las células se resaltarían cuando se expongan a ultrasonido.
Para convertir los genes que codifican las proteínas de las vesículas de gas en un gen informador, Shapiro y Farhadi necesitaban hacer algo que nunca antes se había hecho: trasplantar un programa genético de nueve genes de bacterias a células de mamíferos, en este caso, células derivadas de riñones humanos (Células HEK).
Hacer esto no fue un proceso sencillo porque las bacterias y los mamíferos leen los genes en su ADN de manera diferente. Eso significa que aunque Shapiro y Farhadi podrían insertar el ADN bacteriano en las células, esas células no sabrían qué hacer con ese ADN, de forma similar a cómo un programa escrito para una computadora Apple no se ejecutará en una computadora con Windows.
«La maquinaria de traducción es muy diferente en los dos tipos de células», dice Farhadi. «Una de las mayores diferencias es que en las bacterias es común tener múltiples genes dispuestos en el ADN de modo que se transcriban en una pieza compartida de ARN, que luego se traduce en todas las proteínas correspondientes, mientras que en los eucariotas, cada gen es generalmente solo «.
Shapiro dice que la solución provino de otra fuente de ADN: los virus.
«Los virus también necesitan engañar a las células de mamíferos para que expresen un montón de proteínas», dice Shapiro. «Así que utilizamos elementos virales para engañar a la célula para que produzca múltiples genes a partir de un fragmento compartido de ARN». De esta manera, Farhadi y sus colegas combinaron ocho genes en una sola pieza de ARN.
Sin embargo, incluso después de insertar ADN bacteriano en funcionamiento en las células HEK, Shapiro y Farhadi todavía no tenían una solución completa. Las células estaban produciendo proteínas de vesículas de gas, pero no se formaban vesículas de gas. Resultó que las proteínas no solo necesitaban ser producidas, sino en las proporciones correctas.
Shapiro lo compara con un sitio de construcción . Un edificio puede estar hecho de madera, vidrio y ladrillos, pero si los trabajadores se presentan principalmente con ventanas y solo unos pocos ladrillos, no podrán construir un edificio.
Además de proporcionar los materiales de construcción, algunas proteínas codificadas por los genes de las vesículas de gas actúan como maquinaria de construcción (grúas, excavadoras, etc.) que se utilizan para fabricar las vesículas de gas. Si un sitio de construcción tiene 50 grúas pero solo una excavadora, el proyecto probablemente no estará terminado. Las proporciones, nuevamente, son clave.
«Las proporciones correctas de proteínas se programan en los grupos de genes bacterianos, pero cuando las colocamos en las células de mamíferos, tenemos que averiguar cuáles son esas proporciones y cómo obtener las células de mamíferos para producirlas correctamente», dice Farhadi .
Darse cuenta de eso, dicen Shapiro y Farhadi, requirió un proceso sistemático que tomó varios años. Ahora que tienen los genes funcionando, dicen que podrán usarlos para estudiar la expresión génica en tumores, células inmunes, neuronas y otros tipos de células en organismos vivos. Con mejoras adicionales, esperan que los biólogos de todo el mundo usen el ultrasonido para observar organismos modelo para estudiar las células dentro de su contexto biológico natural, y que los médicos algún día puedan usar el ultrasonido para monitorear el destino de la terapéutica basada en células en los pacientes.
«Ha habido más de 20 años de trabajo mejorando las proteínas fluorescentes, y probablemente tengamos 20 años de trabajo para mejorar lo que hemos desarrollado, pero esta es una prueba clave de concepto», dice Shapiro.
El artículo que describe sus hallazgos, titulado «Imágenes de ultrasonido de la expresión génica en células de mamíferos», aparece en la edición del 27 de septiembre de Science .Más información: Arash Farhadi et al. Imagen de ultrasonido de la expresión génica en células de mamíferos, Science (2019). DOI: 10.1126 / science.aax4804
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