La búsqueda de herramientas biológicas efectivas es un maratón, no un sprint, incluso cuando las distancias están en la microescala. Un descubrimiento en la Universidad de Rice sobre cómo se comunican las comunidades de células diseñadas es un paso largo en la dirección correcta.
El laboratorio de Rice del biólogo sintético Matthew Bennett ha diseñado un conjunto de circuitos transcripcionales que, cuando se agregan y se expresan por los genomas de microbios unicelulares, les permite formar rápidamente una red de interacciones locales para estimular la acción colectiva,incluso en comunidades grandes.
Investigación publicada en Biología química de la naturaleza muestra cepas de ingeniería de Escherichia coli transmitiendo señales a través de un corredor lleno de bacterias y coordinando sus acciones. La capacidad de hacerlo podría conducir a microbios diseñados para tratar afecciones en microbiomas intestinales o comunicarse con bioelectrónica.
"Las células a menudo usan señales químicas para comunicarse y transmitirse información entre sí", dijo Bennett. "Sin embargo, las señales químicas tienen un rango limitado. Después de salir de la célula, se difunden a través del medio en el que se encuentran las células, y eso puedesolo ve tan lejos
"En este estudio observamos un sistema anterior que creamos que usa dos cepas diferentes y diferentes tipos de comunicación entre ellos para estudiar cómo, una vez que aumentemos el tamaño de la colonia que contiene estas cepas, reaccionaría", dijo.
La evidencia aparece no solo en un video del laboratorio que muestra grupos de microbios pulsando mientras se señalan entre sí a lo largo del experimento, sino también en modelos matemáticos de los colaboradores frecuentes Jae Kyoung Kim, profesor de matemáticas en CoreaInstituto Avanzado de Ciencia y Tecnología, y Krešimir Josi ?, profesor de matemáticas en la Universidad de Houston y profesor adjunto de biociencias en Rice.
Los microbios se modificaron para expresar proteínas que activaron bucles de retroalimentación positiva y negativa. Para caracterizar el efecto de las modificaciones, los investigadores los dividieron en cuatro conjuntos de bucles de retroalimentación positiva y negativa, combinada o positiva y negativa.
Luego pudieron ver que los bucles positivos que activaban las señales eran los más efectivos para facilitar las comunicaciones. "Descubrimos que necesita el bucle de retroalimentación positiva para sincronizar la expresión génica en sistemas espacialmente extendidos en los que las células no pueden comunicarse directamente conunos y otros."
Eso no quiere decir que los circuitos negativos, o los represores, no hicieron nada ". Necesitas retroalimentación negativa para crear y estabilizar las oscilaciones", dijo Bennett. "Hace que el sistema sea más robusto para las perturbaciones en el ambiente".
Bennett dijo que las células no tenían problemas para comunicarse a través de pequeñas cámaras microfluídicas en experimentos previos. "Allí, la difusión de la molécula de señalización es muy rápida y básicamente global", dijo. "Todas las células pueden comunicarse entre sí porque esun espacio tan reducido
"En nuestro nuevo sistema, eso no es cierto", dijo Bennett. "Las células solo pueden hablar con sus vecinos cercanos y no tienen forma de comunicarse con los del otro extremo de la colonia. A pesar de esto, encontramos que ellas oscilaciones generadas por los circuitos que ponemos en estas dos cepas aún pueden sincronizarse a través del espacio y el tiempo "
De hecho, las señales que pensaron que tomarían varias horas para viajar desde un extremo de la cámara al otro causaron oscilaciones sincrónicas casi de inmediato.
"Descubrimos algunos factores que son importantes para eso, los tipos de circuitos de retroalimentación que aumentan la sincronización entre estas grandes colonias extendidas", dijo. "Esto es importante porque, a medida que los biólogos sintéticos avanzan hacia la ingeniería de sistemas multicelulares más grandes, debemosser capaz de controlar no solo lo que sucede dentro de una sola celda, sino también coordinar lo que sucede en el espacio y el tiempo dentro de toda la población ".
Los investigadores descubrieron que tenían que dar a sus células algo de espacio para respirar para comunicarse de manera efectiva, por lo que abrieron "puertas" a lo largo del corredor. "Creemos que eso tiene que ver con la estabilidad de las cepas", dijo Bennett. "Cuando tienesdos tipos diferentes, compiten pasivamente por el espacio, empujándose mientras crecen y se dividen.
"Puede obtener fluctuaciones locales donde las células pueden ser empujadas hacia un lado. Esto crea inestabilidad y complica seriamente la comunicación entre las células", dijo. "Descubrimos que abrir estas trampas estabilizó la composición espacial de la colonia".
Hay mucho por hacer antes de que tales circuitos puedan implementarse en la clínica, pero Bennett ve un camino hacia adelante. "Eventualmente queremos poder construir sistemas multicelulares que hagan cosas prácticas", dijo. "Ciertamente, si seguimos exactamenteLo que la naturaleza ha hecho, llegaríamos lejos, porque la naturaleza ha sido muy buena en la creación de sistemas multicelulares que hacen cosas interesantes.
"Pero eso no significa que la evolución haya dado con la única forma de hacer las cosas"
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Materiales proporcionado por Universidad de Rice . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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