Los bioingenieros de la Universidad de California en San Diego han desarrollado un método para extender significativamente la vida útil de los circuitos genéticos utilizados para instruir a los microbios a hacer cosas como producir y entregar medicamentos, descomponer sustancias químicas y servir como sensores ambientales.
La mayoría de los circuitos que los biólogos sintéticos insertan en los microbios se rompen o desaparecen por completo de los microbios después de un cierto período de tiempo, generalmente de días a semanas, debido a diversas mutaciones. Pero en la edición del 6 de septiembre de 2019 de la revista ciencia , los investigadores de UC San Diego demostraron que pueden mantener los circuitos genéticos funcionando por mucho más tiempo.
La clave de este enfoque es la capacidad de los investigadores para reemplazar completamente una subpoblación portadora de circuitos genéticos con otra, para restablecer el reloj de mutación, mientras se mantiene el circuito en funcionamiento.
"Hemos demostrado que podemos estabilizar los circuitos genéticos sin entrar en el negocio de luchar contra la evolución", dijo Jeff Hasty, profesor de bioingeniería y biología de UC San Diego, el autor correspondiente del estudio. "Una vez que dejamos de luchar contra la evolución en el nivelde células individuales, demostramos que podíamos mantener un circuito genético metabólicamente costoso todo el tiempo que queramos "
El circuito que los investigadores de UC San Diego usaron en ciencia el estudio es uno que este equipo y otros están utilizando activamente para desarrollar nuevos tipos de terapias contra el cáncer.
"Como biólogos sintéticos, nuestro objetivo es desarrollar circuitos genéticos que nos permitan aprovechar los microorganismos para una amplia gama de aplicaciones. Sin embargo, la realidad actual es que los circuitos genéticos que insertamos en los microbios son propensos a fallar debido a la evolución. Ya seasean días, semanas o meses, incluso con los mejores enfoques de estabilización de circuitos, es solo cuestión de tiempo. Y una vez que pierde la funcionalidad en su circuito genético, no hay nada que hacer más que comenzar de nuevo ", dijo Michael Liao, unEstudiante de doctorado en bioingeniería de UC San Diego y el primer autor en ciencia artículo. "Nuestro trabajo muestra que hay otro camino hacia adelante, no solo en teoría, sino en la práctica. Hemos demostrado que es posible mantener a raya las mutaciones que destruyen los circuitos. Encontramos una manera de seguir presionando restablecer la mutaciónreloj."
Si el método del equipo puede optimizarse para los sistemas vivos, las implicaciones podrían ser significativas para muchos campos, incluida la terapia contra el cáncer, la biorremediación y la bioproducción de proteínas y componentes químicos útiles.
piedra, papel o tijera
Para construir realmente un "botón de reinicio" para el reloj de mutación, los investigadores se centraron en la dinámica entre cepas de microbios, en lugar de tratar de mantener a raya las presiones selectivas a nivel de células individuales. Los investigadores demostraron su sistema de ingeniería a nivel comunitariousando tres subpoblaciones de E. coli con una dinámica de poder "piedra-papel-tijera". Esto significa que la cepa "roca" puede matar a la cepa "tijera" pero será matada por la cepa "papel".
La mayoría del trabajo publicado tiende a enfocarse en estrategias de estabilización que actúan a nivel de células individuales. Si bien algunos de estos enfoques pueden ser suficientes en un contexto terapéutico dado, la evolución dicta que los enfoques de células individuales tenderán naturalmente a dejar de funcionar en algún momento.Sin embargo, dado que la estabilización piedra-papel-tijera RPS actúa a nivel comunitario, también se puede combinar con cualquiera de los sistemas que actúan a nivel de una sola celda para extender drásticamente su vida útil.
Hacer medicamentos contra el cáncer y administrarlos a los tumores
en 2016 en Naturaleza , investigadores de UC San Diego dirigidos por Hasty, junto con colegas del MIT, describieron un "circuito de lisis sincronizada" que podría usarse para administrar medicamentos contra el cáncer producidos por bacterias que se acumulan en los tumores y alrededor de ellos. Esto condujo a la UCEl grupo de San Diego se centrará en la plataforma de lisis sincronizada para los experimentos publicados en ciencia .
Estas explosiones coordinadas solo ocurren una vez que se ha alcanzado una densidad predeterminada de células, gracias a la funcionalidad de "detección de quórum" también incorporada al circuito genético. Después de la explosión, aproximadamente el 10% de la población bacteriana que no explotó comienza a crecer nuevamenteCuando la densidad de población alcanza una vez más la densidad predeterminada más "detección de quórum", se dispara otra explosión de liberación de fármaco y el proceso codificado por el circuito sincronizado de lisis de los investigadores se reinicia.
El desafío, sin embargo, es que este circuito genético que mata el cáncer, y otros circuitos genéticos creados por biólogos sintéticos, eventualmente dejan de funcionar en la bacteria. El culpable. Mutaciones impulsadas por el proceso de evolución.
"El hecho de que algunos insectos crecen naturalmente en los tumores y podemos diseñarlos para producir y administrar terapias en el cuerpo es un cambio de juego para la biología sintética", dijo Hasty. "Pero tenemos que encontrar formas de mantener los circuitos genéticoscorriendo. Todavía hay trabajo por hacer, pero estamos demostrando que podemos intercambiar poblaciones y mantener el circuito en funcionamiento. Este es un gran paso adelante para la biología sintética ".
Avances de investigación biomédica
Tal Danino, ahora profesor de la Universidad de Columbia, que también publicó un trabajo seminal sobre el desarrollo de la detección de quórum para la biología sintética como parte de su Ph., Dirige uno de los equipos de investigación que trabajan para avanzar e implementar el circuito de lisis sincronizado.D. en UC San Diego.
"Tal demostró recientemente que la tecnología de lisis sincronizada puede usarse para administrar una inmunoterapia a tumores en ratones. Que yo sepa, son los primeros en mostrar que la producción y entrega de medicamentos bacterianos dentro de un tumor tratado puede modificar el sistema inmune para atacar sin tratartumores. Los resultados son fascinantes. También destacan lo importante que es para nosotros descubrir cómo mantener el circuito de lisis funcionando el mayor tiempo posible ", dijo Hasty.
El enfoque actual no se limita a un sistema de tres cepas. Las sup-poblaciones individuales de microbios, por ejemplo, podrían programarse para producir diferentes medicamentos, ofreciendo el potencial de terapias farmacológicas combinadas precisas para tratar el cáncer, por ejemplo.
Los investigadores estudiaron la dinámica de las poblaciones utilizando dispositivos microfluídicos que permiten interacciones controladas entre las diferentes subpoblaciones. También demostraron que el sistema es robusto cuando se prueba en pozos más grandes.
Un próximo paso será combinar el enfoque con enfoques estabilizadores estándar y demostrar que el sistema funciona en modelos animales vivos.
"Estamos convergiendo en una plataforma de suministro de medicamentos extremadamente estable con amplia aplicabilidad para terapias bacterianas", dijo Hasty.
Hasty, Din y Danino son cofundadores de GenCirq, una compañía que busca transferir este y el trabajo relacionado a la clínica.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de California - San Diego . Original escrito por Daniel Kane. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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