Imagen: Christine Daniloff. Fuente: MIT.
Un equipo de ingenieros del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) ha conseguido transformar el genoma de una bacteria, la Escherichia coli, comúnmente usada en experimentos, en un dispositivo de almacenamiento a largo plazo de memoria. En un futuro, el avance podría servir para desarrollar sensores bacterianos de vigilancia ambiental o médica.
Por ejemplo, una bacteria con el genoma modificado con este sistema para albergar memoria podría colocarse en el interior del organismo o en cualquier entorno exterior. Dicho genoma registraría entonces datos diversos -como a qué cantidad de sustancias específicas estuvo expuesta dicha bacteria o durante cuánto tiempo- que servirían a los científicos para conocer esos contextos.
Todo ello gracias a que la “grabadora genómica” desarrollada permite guardar información en cualquier secuencia de ADN bacteriano, informa el MIT en un comunicado.
La programación de la bacteria
Para hacer que la bacteria E. coli almacenase memoria, los investigadores del MIT comenzaron modificando células para producir una enzima recombinasa. Estas enzimas son capaces de insertar secuencias de ADN en sitios diana, dentro del genoma celular.
Tras la producción de dicho ADN a añadir, la enzima recombinasa lo insertó en el genoma de la célula, en un sitio preprogramado. "Podemos apuntar a cualquier parte del genoma, por eso que estamos viéndolo como una grabadora, porque se puede dirigir a donde esté escrtia la señal", explica Timothy K. Lu, uno de los autores del avance.
Pero ese ADN se activa solo en presencia de moléculas específicas u otro tipo de señales, como la luz. Si esa exposición se produce, por tanto, queda “grabada” para el resto de la vida de la bacteria, y se transmite de generación en generación.
Dos formas de recuperar la memoria
A continuación, habría dos maneras distintas de recuperar esa información almacenada. Si el ADN nuevo ha sido insertado en una parte no funcional del genoma, la secuenciación de este revelará si esa memoria ha sido almacenada en una célula particular.
Si, por el contrario, esas secuencias se usan para modificar genes funcionales, los efectos se medirían de otra forma. Por ejemplo, en este estudio, se usó una nueva secuencia de ADN para activar un gen de resistencia a los antibióticos. El número de células que habían adquirido esta secuencia de memoria se calculó exponiendo a dichas células a antibióticos y observando a continuación cuántas sobrevivían.
Mediante esta medición, los investigadores lograron además determinar el grado de exposición celular a los antibióticos y cuánto tiempo duró esta. El mismo sistema ha sido utilizado ya para detectar la exposición a la luz y a un metabolito llamado lactosa IPTG, pero podría adaptarse a muchas otras moléculas o incluso señales producidas por la célula, afirma Lu.
La información añadida podría asimismo borrarse, mediante la estimulación de las células para que incorporen una pieza diferente de ADN en el mismo lugar. Este proceso en la actualidad no es muy eficiente, pero los investigadores están trabajando para mejorarlo.
Por ejemplo, una bacteria con el genoma modificado con este sistema para albergar memoria podría colocarse en el interior del organismo o en cualquier entorno exterior. Dicho genoma registraría entonces datos diversos -como a qué cantidad de sustancias específicas estuvo expuesta dicha bacteria o durante cuánto tiempo- que servirían a los científicos para conocer esos contextos.
Todo ello gracias a que la “grabadora genómica” desarrollada permite guardar información en cualquier secuencia de ADN bacteriano, informa el MIT en un comunicado.
La programación de la bacteria
Para hacer que la bacteria E. coli almacenase memoria, los investigadores del MIT comenzaron modificando células para producir una enzima recombinasa. Estas enzimas son capaces de insertar secuencias de ADN en sitios diana, dentro del genoma celular.
Tras la producción de dicho ADN a añadir, la enzima recombinasa lo insertó en el genoma de la célula, en un sitio preprogramado. "Podemos apuntar a cualquier parte del genoma, por eso que estamos viéndolo como una grabadora, porque se puede dirigir a donde esté escrtia la señal", explica Timothy K. Lu, uno de los autores del avance.
Pero ese ADN se activa solo en presencia de moléculas específicas u otro tipo de señales, como la luz. Si esa exposición se produce, por tanto, queda “grabada” para el resto de la vida de la bacteria, y se transmite de generación en generación.
Dos formas de recuperar la memoria
A continuación, habría dos maneras distintas de recuperar esa información almacenada. Si el ADN nuevo ha sido insertado en una parte no funcional del genoma, la secuenciación de este revelará si esa memoria ha sido almacenada en una célula particular.
Si, por el contrario, esas secuencias se usan para modificar genes funcionales, los efectos se medirían de otra forma. Por ejemplo, en este estudio, se usó una nueva secuencia de ADN para activar un gen de resistencia a los antibióticos. El número de células que habían adquirido esta secuencia de memoria se calculó exponiendo a dichas células a antibióticos y observando a continuación cuántas sobrevivían.
Mediante esta medición, los investigadores lograron además determinar el grado de exposición celular a los antibióticos y cuánto tiempo duró esta. El mismo sistema ha sido utilizado ya para detectar la exposición a la luz y a un metabolito llamado lactosa IPTG, pero podría adaptarse a muchas otras moléculas o incluso señales producidas por la célula, afirma Lu.
La información añadida podría asimismo borrarse, mediante la estimulación de las células para que incorporen una pieza diferente de ADN en el mismo lugar. Este proceso en la actualidad no es muy eficiente, pero los investigadores están trabajando para mejorarlo.
Potenciales aplicaciones
Como se ha dicho, este sistema podría aplicarse para el monitoreo de condiciones ambientales. Por ejemplo, podría servir para medir los niveles de dióxido de carbono, acidez, o contaminantes del océano. Además, las bacterias podrían ser diseñadas para vivir en el tracto digestivo humano. En él, podrían servir para controlar la ingesta dietética de una persona (la cantidad de azúcar o la grasa que consume) o para detectar inflamación, en caso de que se sufra de intestino irritable.
Las bacterias modificadas también podrían ser utilizadas como computadoras biológicas, afirma Lu. En este sentido, resultarían particularmente útiles para aquellos cálculos que requieren una gran cantidad de procesamientos en paralelo, como el registro de patrones en imágenes.
"Dado que en un tubo de ensayo puede haber miles de millones de bacterias, podríamos empezar a aprovechar más esas poblaciones para el almacenamiento de memoria, lo que podría resultar interesante para la computación. Puede que sea lento, pero también que sea energéticamente eficiente", asegura el investigador.
Otra aplicación posible estaría en el laboratorio: en muestras colocadas en una placa de Petri, permitiría a los investigadores rastrear si un determinado marcador de enfermedad se expresa en las células o si una neurona está activa en un momento determinado.
Información digital en ADN
Quizá la más “extraña” de todas las aplicaciones mencionadas por el equipo del MIT para el ADN modificado de las bacterias sea la referente a la computación. Sin embargo, no es la primera vez que alguien piensa en el material genético con fines vinculados al mundo de lo digital.
A medida que aumentan sin parar los contenidos digitales, el ADN empieza a ser contemplado como un interesante almacén de datos, entre otras razones, porque dura decenas de miles de años y es diminuto y denso. Pero, además, porque no necesita alimentación energética.
Y no es solo teoría, en 2013, científicos del EMBL-European Bioinformatics Institute consiguieron de hecho sintetizar cientos de miles de fragmentos de ADN con información de diverso tipo.
El método seguido para lograrlo fue distinto al de Lu y su equipo. En este caso, los investigadores desarrollaron un método que requiere la síntesis de ADN con la información codificada siguiendo un código para cuyo desarrollo se usaron, a su vez, cadenas cortas de ADN. Con este sistema, consiguieron almacenar en ADN gran cantidad de datos, en una superficie similar a la de una pequeña mota de polvo.
Más avances
Volviendo a Timothy Lu y sus colaboradores del MIT, estos ya nos sorprendieron el año pasado con el desarrollo de circuitos sintéticos en células bacterianas que, además de llevar a cabo funciones lógicas, eran capaces de recordar sus resultados.
Además, el pasado mes de marzo, publicaron que habían usado células bacterianas para fabricar biopelículas combinables con materiales no vivos. Estos biofilms tendrían las ventajas de las células vivas, pero también podrían desarrollar funciones tales como la producción de electricidad o la emisión de luz.
Como se ha dicho, este sistema podría aplicarse para el monitoreo de condiciones ambientales. Por ejemplo, podría servir para medir los niveles de dióxido de carbono, acidez, o contaminantes del océano. Además, las bacterias podrían ser diseñadas para vivir en el tracto digestivo humano. En él, podrían servir para controlar la ingesta dietética de una persona (la cantidad de azúcar o la grasa que consume) o para detectar inflamación, en caso de que se sufra de intestino irritable.
Las bacterias modificadas también podrían ser utilizadas como computadoras biológicas, afirma Lu. En este sentido, resultarían particularmente útiles para aquellos cálculos que requieren una gran cantidad de procesamientos en paralelo, como el registro de patrones en imágenes.
"Dado que en un tubo de ensayo puede haber miles de millones de bacterias, podríamos empezar a aprovechar más esas poblaciones para el almacenamiento de memoria, lo que podría resultar interesante para la computación. Puede que sea lento, pero también que sea energéticamente eficiente", asegura el investigador.
Otra aplicación posible estaría en el laboratorio: en muestras colocadas en una placa de Petri, permitiría a los investigadores rastrear si un determinado marcador de enfermedad se expresa en las células o si una neurona está activa en un momento determinado.
Información digital en ADN
Quizá la más “extraña” de todas las aplicaciones mencionadas por el equipo del MIT para el ADN modificado de las bacterias sea la referente a la computación. Sin embargo, no es la primera vez que alguien piensa en el material genético con fines vinculados al mundo de lo digital.
A medida que aumentan sin parar los contenidos digitales, el ADN empieza a ser contemplado como un interesante almacén de datos, entre otras razones, porque dura decenas de miles de años y es diminuto y denso. Pero, además, porque no necesita alimentación energética.
Y no es solo teoría, en 2013, científicos del EMBL-European Bioinformatics Institute consiguieron de hecho sintetizar cientos de miles de fragmentos de ADN con información de diverso tipo.
El método seguido para lograrlo fue distinto al de Lu y su equipo. En este caso, los investigadores desarrollaron un método que requiere la síntesis de ADN con la información codificada siguiendo un código para cuyo desarrollo se usaron, a su vez, cadenas cortas de ADN. Con este sistema, consiguieron almacenar en ADN gran cantidad de datos, en una superficie similar a la de una pequeña mota de polvo.
Más avances
Volviendo a Timothy Lu y sus colaboradores del MIT, estos ya nos sorprendieron el año pasado con el desarrollo de circuitos sintéticos en células bacterianas que, además de llevar a cabo funciones lógicas, eran capaces de recordar sus resultados.
Además, el pasado mes de marzo, publicaron que habían usado células bacterianas para fabricar biopelículas combinables con materiales no vivos. Estos biofilms tendrían las ventajas de las células vivas, pero también podrían desarrollar funciones tales como la producción de electricidad o la emisión de luz.
Referencia bibliográfica:
Fahim Farzadfard y Timothy K. Lu. Genomically encoded analog memory with precise in vivo DNA writing in living cell populations. Science (2014). DOI: 10.1126/science.1256272.
Fahim Farzadfard y Timothy K. Lu. Genomically encoded analog memory with precise in vivo DNA writing in living cell populations. Science (2014). DOI: 10.1126/science.1256272.