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Desde CRISPR hasta proteínas brillantes y optogenética, las tecnologías más poderosas se toman prestadas de la naturaleza

Medusa
Crédito: Pixabay / CC0 Public Domain

Watson y Crick , Schrödinger y Einstein lograron avances teóricos que han cambiado la comprensión mundial de la ciencia.


por Marc Zimmer


Hoy en día, las grandes ideas que cambian el juego son menos comunes. Las técnicas nuevas y mejoradas son la fuerza impulsora detrás de la investigación y los descubrimientos científicos modernos . Permiten a los científicos, incluidos químicos como yo, hacer nuestros experimentos más rápido que antes, y arrojan luz sobre áreas de la ciencia ocultas para nuestros predecesores.

Tres técnicas de vanguardia —la herramienta de edición de genes CRISPR , proteínas fluorescentes y optogenética— se inspiraron en la naturaleza. Las herramientas biomoleculares que han funcionado con bacterias, medusas y algas durante millones de años se están utilizando ahora en medicina e investigación biológica. Directa o indirectamente, cambiarán la vida de la gente común.

Sistemas de defensa bacteriana como editores genéticos

Las bacterias y los virus luchan entre sí y entre sí. Están en una guerra bioquímica constante, compitiendo por recursos escasos .

Una de las armas que tienen las bacterias en su arsenal es el sistema CRISPR-Cas . Es una biblioteca genética que consta de breves repeticiones de ADN recopiladas a lo largo del tiempo de virus hostiles, junto con una proteína llamada Cas que puede cortar el ADN viral como con unas tijeras. En el mundo natural, cuando las bacterias son atacadas por virus cuyo ADN se ha almacenado en el archivo CRISPR, el sistema CRISPR-Cas busca, corta y destruye el ADN viral.

Los científicos han reutilizado estas armas para su propio uso, con un efecto innovador. Jennifer Doudna, bioquímica de la Universidad de California, Berkeley, y la microbióloga francesa Emmanuelle Charpentier compartieron el Premio Nobel de Química 2020 por el desarrollo de CRISPR-Cas como técnica de edición de genes.

El Proyecto del Genoma Humano ha proporcionado una secuencia genética casi completa para los humanos y les ha dado a los científicos una plantilla para secuenciar todos los demás organismos. Sin embargo, antes de CRISPR-Cas, los investigadores no teníamos las herramientas para acceder fácilmente y editar los genes en los organismos vivos. Hoy, gracias a CRISPR-Cas, el trabajo de laboratorio que solía llevar meses y años y costaba cientos de miles de dólares se puede realizar en menos de una semana por solo unos pocos cientos de dólares.

Hay más de 10,000 trastornos genéticos causados ​​por mutaciones que ocurren en un solo gen, los llamados trastornos de un solo gen . Afectan a millones de personas. La anemia de células falciformes , la fibrosis quística y la enfermedad de Huntington se encuentran entre los trastornos más conocidos. Todos estos son objetivos obvios para la terapia CRISPR porque es mucho más simple reparar o reemplazar un solo gen defectuoso en lugar de tener que corregir errores en múltiples genes.

Por ejemplo, en estudios preclínicos , los investigadores inyectaron un sistema CRISPR encapsulado en pacientes que nacieron con una enfermedad genética rara, la amiloidosis por transtiretina , que causa afecciones nerviosas y cardíacas fatales. Los resultados preliminares del estudio demostraron que CRISPR-Cas puede inyectarse directamente en los pacientes de tal manera que pueda encontrar y editar los genes defectuosos asociados con una enfermedad. En los seis pacientes incluidos en este trabajo histórico, los minimisiles CRISPR-Cas encapsulados alcanzaron sus genes diana e hicieron su trabajo, provocando una caída significativa en una proteína mal plegada asociada con la enfermedad.

Las medusas iluminan el mundo microscópico

La medusa de cristal, Aequorea victoria , que se desplaza sin rumbo fijo en el Pacífico norte, no tiene cerebro, ano ni aguijones venenosos. Es un candidato poco probable para iniciar una revolución en biotecnología. Sin embargo, en la periferia de su paraguas, tiene alrededor de 300 órganos fotográficos que emiten pinchazos de luz verde que han cambiado la forma en que se conduce la ciencia.

Esta luz bioluminiscente en las medusas proviene de una proteína luminiscente llamada aequorina y una molécula fluorescente llamada proteína verde fluorescente o GFP. En la biotecnología moderna, la GFP actúa como una bombilla molecular que puede fusionarse con otras proteínas, lo que permite a los investigadores rastrearlas y ver cuándo y dónde se producen las proteínas en las células de los organismos vivos. La tecnología de proteínas fluorescentes se utiliza en miles de laboratorios todos los días y ha dado lugar a la concesión de dos premios Nobel, uno en 2008 y el otro en 2014 . Y ahora se han encontrado proteínas fluorescentes en muchas más especies .

Esta tecnología demostró su utilidad una vez más cuando los investigadores crearon virus COVID-19 genéticamente modificados que expresan GFP . La fluorescencia resultante permite seguir el camino de los virus a medida que ingresan al sistema respiratorio y se unen a las células de la superficie con estructuras parecidas a pelos.

Las algas nos permiten jugar el cerebro neurona por neurona

Cuando las algas, que dependen de la luz solar para crecer, se colocan en un gran acuario en una habitación oscura, nadan sin rumbo fijo. Pero si se enciende una lámpara, las algas nadarán hacia la luz. Los flagelados unicelulares , llamados así por los apéndices en forma de látigo que usan para moverse, no tienen ojos. En cambio, tienen una estructura llamada mancha ocular que distingue entre la luz y la oscuridad. La mancha ocular está salpicada de proteínas sensibles a la luz llamadas canalrodopsinas .

A principios de la década de 2000, los investigadores descubrieron que cuando insertaban genéticamente estas canalrodopsinas en las células nerviosas de cualquier organismo, iluminar las canalrodopsinas con luz azul provocaba que las neuronas se dispararan. Esta técnica, conocida como optogenética, implica la inserción del gen de las algas que produce la canalrodopsina en las neuronas. Cuando un rayo puntual de luz azul se ilumina en estas neuronas, las canalrodopsinas se abren, los iones de calcio fluyen a través de las neuronas y las neuronas se activan.

Con esta herramienta, los científicos pueden estimular grupos de neuronas de forma selectiva y repetida, obteniendo así una comprensión más precisa de qué neuronas apuntar para tratar trastornos y enfermedades específicos. La optogenética podría ser la clave para tratar enfermedades cerebrales debilitantes y mortales, como el Alzheimer y el Parkinson.

Pero la optogenética no solo es útil para comprender el cerebro. Los investigadores han utilizado técnicas optogenéticas para revertir parcialmente la ceguera y han encontrado resultados prometedores en ensayos clínicos que utilizan optogenética en pacientes con retinitis pigmentosa , un grupo de trastornos genéticos que degradan las células de la retina. Y en estudios con ratones, la técnica se ha utilizado para manipular los latidos del corazón y regular los movimientos intestinales de ratones estreñidos .

¿Qué más hay dentro de la caja de herramientas de la naturaleza?

¿Qué técnicas no descubiertas todavía nos ofrece la naturaleza?

Según un estudio de 2018 , las personas representan solo el 0.01% de todos los seres vivos en masa, pero han causado la pérdida del 83% de todos los mamíferos salvajes y la mitad de todas las plantas en nuestro breve tiempo en la Tierra. Al aniquilar la naturaleza, la humanidad podría estar perdiendo técnicas nuevas, poderosas y que alteran la vida sin siquiera haberlas imaginado.


Proporcionado por The Conversation

Este artículo se ha vuelto a publicar de The Conversation con una licencia de Creative Commons. Lea el artículo original .



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