ARN - X (Diez) Curiosidades

Investigadores construyen un kit de herramientas para biología sintética

Factor de transcripción — Imagen: Christine Daniloff/iMol

Ingenieros diseñan nuevas proteínas que puedan ayudar a controlar los novedosos circuitos genéticos en las células.

Anne Trafton, MIT News Office. Original (en inglés).

Por cerca de 12 años, los biólogos sintéticos han estado trabajando en maneras de diseñar circuitos genéticos para realizar funciones novedosas como fabricar nuevas drogas, producir combustible e incluso programar el suicidio de células cancerosas.

Alcanzar estas complejas funciones requiere controlar muchos componentes genéticos y celulares, incluyendo no solo genes sino también las proteínas regulatorias que los encienden y los apagan. En una célula viviente, las proteínas llamadas factores de transcripción comúnmente regulan este proceso.

Hasta ahora, la mayoría de los investigadores han diseñado sus circuitos genéticos usando factores de transcripción encontrados en bacterias. Sin embargo, estos no siempre se traducen bien a células no bacteriales y puede ser un desafío aescalarlos, haciendo más difícil crear circuitos complejos, dice Timothy Lu, profesor asistente de ingeniería eléctrica y ciencia computacional y un miembro del Laboratorio de Investigación de Electrónica.

Lu y sus colegas en la Universidad de Boston, la Escuela de Medicina de Harvard y el Hospital General de Massachusetts han encontrado un nuevo método para diseñar factores de transcripción para células no bacteriales (en este caso, células de levadura). Su librería inicial de 19 factores de transcripción debería ayudar a superar el cuello de botella existente que ha limitado las aplicaciones de la biología sintética, dice Lu.

Este proyecto es parte de un esfuerzo más grande que se está llevando a cabo para desarrollar “partes” genéticas que pueden ser ensambladas en circuitos para alcanzar funciones específicas. A través de este esfuerzo, Lu y sus colegas esperan hacer más fácil el desarrollo de circuitos para hacer exactamente lo que quiere un investigador.

“Si observas el registro de partes, muchas de estas partes vienen de un revoltijo de organismos diferentes. Los juntas en tu organismo elegido y esperas que funcione,” dice Lu, el autor correspondiente de un artículo describiendo la nueva técnica de diseño de factor de transcripción en la edición del 3 de agosto del diario Cell.

Los autores principales del artículo incluyen a Ahmad Khalil, profesor asistente de ingeniería biomédica en la Universidad de Boston, LU, y el posdoctorado de la universidad de Boston Caleb Bashor. Otros autores son la estudiante graduada de Harvard Cherie Ramirez; la investigadora asistente de la Universidad de Boston Nora Pyenson; Keith Joung, jefe asociado de patología para la investigación en el Hospital General de Massachusetts; y James Collins, profesor de ingeniería biomédica en la Universidad de Boston.

Uniendo ADN

Avances recientes en el diseño de proteínas que unen el ADN le dieron a los investigadores el impulso que necesitaban para comenzar a contruir una nueva librería de factores de transcripción.

Dedo de cinc Cys2His2. Imagen: Thomas Splettstoesser

Los factores de transcripción incluyen una sección que reconoce y se anexa a una secuencia específica de ADN llamada promotor. La proteína recluta entonces una enzima llamada ARN polimerizado, que comienza el copiado del gen en el mensajero ARN, la molécula que carga las instrucciones genéticas al resto de la célula.

En muchos factores de transcripciones, la sección que une el ADN consiste de proteínas conocidas como dedos de cinc, que apuntan a diferentes secuencias de ADN dependiendo de su estructura. Los investigadores basaron sus nuevos diseños de dedos de cinc en la estructura de una proteína dedo de cinc que ocurre naturalmente. “Al modificar los aminoácidos específicos dentro del dedo de cinc, puedes hacer que se unan con nuevas secuencias objetivo”, dice Lu.

Los investigadores conectaron los nuevos dedos de cinc a segmentos activadores existentes, permitiéndoles crear muchas combinaciones de fuerza variable y especificidad. También diseñaron factores de transcripción que trabajan juntos, para que un gen solo pueda ser encendido si los factores se unen uno con el otro.

Andrew Ellington, un profesor de bioquímica en la Universidad de Texas en Austin, dice que el trabajo es un importante paso hacia crear circuitos más complejos en células no bacteriales. “Están creando un montón de nuevos factores de transcripción, y lo han hecho en una manera modular, creando herramientas adicionales que la gente puede usar para diseñar nuevos circuitos”, dice Ellington, quien no fue parte del equipo investigador.

Hacia mayor complejidad

Dichos factores de transcripción deberían hacer hacer más fácil para los biólogos sintéticos el diseñar circuitos para realizar tareas como sentir las condiciones ambientales de una célula.

En este artículo, los investigadores contruyeron algunos circuitos simples en levadura, pero planean desarrollar circuitos más complejos en estudios futuros. “No contruimos un circuito masivo de 10 o 15 factores de transición, pero eso es algo que definitivamente estamos planeando hacer en el futuro”, dice Lu. “Queremos ver que tanto podemos escalar el tipo de circuitos que podemos construir con este marco de trabajo”.

Los circuitos de biología sintética pueden ser análogos o digitales, al igual que los circuitos eléctricos. Los circuitos digitales incluyen funciones lógicas como compuertas AND y OR, que le permiten a las células hacer decisiones inequívocas como si deben pasar por un suicidio celular programado. Las funciones análogas son útiles para sensores que toman mediciones continuas de una molécula específica en la célula o su entorno. Al combinar estos circuitos, los investigadores pueden crear sistemas más complejos en los que una decisión digital sea activada una vez que el sensor alcanza un cierto umbral.

Además de construir circuitos más complejos, los investigadores están planeando tratar sus nuevos factores de transcripción en otras especies de levadura, y eventualmente en células de mamíferos, incluyendo células humanas. “Lo que realmente esperamos al final del día es que la levadura sea una buena plataforma de lanzamiento para diseñar estos circuitos”, dice Lu. “Trabajando en células de mamíferos es más lento y tedioso, así que si podemos construir circuitos verificados y partes en levadura y entonces importarlos, eso sería la situación ideal. Pero no hemos probado que podemos hacer eso todavía”.

La investigación fue patrocinada por el Instituto Médico Howard Hughes, los Institutos Nacionales de Salud, la Oficina de Investigación Naval, la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada para la Defensa (DARPA – Defense Advanced Research Projects Agency) y la Fundación Nacional de Ciencia, todos de los Estados Unidos.

Reimpreso con permiso de MIT News.

Fuente
http://web.mit.edu/ (en inglés)

Cómo la infección puede llevar al cáncer

Un nuevo estudio del MIT (Massachusetts Institute of Technology – Instituto Tecnológico de Massachusetts) ofrece una mirada profunda a los cambios químicos y genéticos que ocurren cuando la inflamación progresa en cáncer.

Anne Trafton, MIT News Office. Original (en inglés).

Biopsia endoscópica mostrando una inflamación granulomatosa del colon en un caso de enfermedad de Crohn.
Imagen: wikipedia/nephron

Uno de los factores de riesgo más grandes para el cáncer de hígado, colon o estómago es la inflamación crónica de esos órganos, comúnmente causada por infecciones virales o bacteriales. Un nuevo estudio del MIT ofrece la mirada más profunda hasta ahora sobre cómo dichas infecciones provocan que los tejidos se vuelvan cancerosos.

El estudio, que apareció en la edición en línea de Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) de la semana del 11 de Junio, rastreó una variedad de cambios genéticos y químicos en los hígados y cólones de ratones infectados con Heliobacter hepaticus, una bacteria similar a la Helicobacter pylori, la que causa úlceras estomacales y cáncer en humanos.

Los hallazgos podrían ayudar a los investigadores a desarrollar maneras de predecir las consecuencias a la salud de inflamación crónica, y diseñar drogas que detengan dicha inflamación.

“Si entiendes el mecanismo, entonces puedes diseñar intervenciones”, dice Peter Dedon, un profesor de Ingeniería Biológica del MIT. “Por ejemplo, ¿qué tal si desarrollamos maneras de bloquear o interrumpir los efectos tóxicos de la inflamación crónica?”.

Dedon es uno de los autores principales del artículo, junto con Steven Tannenbaum, un profesor de ingeniería biológica y química; James Fox, un profesor de ingeniería biológica y director del Departamento de Medicina Comparativa; y Gerald Wogan, un profesor de ingeniería biológica y química. El autor principal es Aswin Mangerich, un antiguo posdoctorado del MIT ahora en la Universidad de Konstanz en Alemania.

Demasiado de una cosa buena

Durante los últimos 30 años, Tannenbaum ha liderado un grupo de investigadores del MIT dedicados a estudiar el vínculo entre inflamación crónica y cáncer. La inflamación es una de las reacciones naturales del cuerpo a cualquier tipo de infección o daño, pero cuando se prolonga por mucho tiempo, los tejidos pueden ser dañados.

Cuando el sistema inmune del cuerpo detecta patógenos o daño celular, activa un torrente de células llamadas macrófagos y neutrófilos. El trabajo de estas células es devorar bacterias, células muertas y escombros: proteínas, ácidos nucleicos y otras moléculas liberadas por células muertas o dañadas. Como parte de este proceso, las células producen químicos altamente reactivos que ayudan a degradar a las bacterias.

“Al hacer esto, devorar las bacterias y soltar estos químicos reactivos sobre ellas, los químicos también pueden difundirse en el tejido, y ahí es donde se presenta el problema”, dice Dedon.

Si esto se lleva a cabo durante un largo período de tiempo, esa inflamación puede eventualmente llevar al cáncer. Un estudio reciente publicado en el diario The Lancet encontró que las infecciones cuentan por alrededor de 16 por ciento de nuevos casos de cáncer en el mundo.

Daño extendido

En el nuevo estudio del MIT, los investigadores analizaron ratones que habían sido infectados con H. hepaicus, que causa que desarrollen una condición similar a la enfermedad inflamatoria intestinal en los humanos. Durante el transcurso de 20 semanas, los ratones desarrollaron infecciones crónicas del hígado y el colon, con algunos de los ratones desarrollando cáncer de colon.

A lo largo del período de 20 semanas, los investigadores midieron alrededor de una docena de tipos diferentes de daño al ADN, ARN y las proteínas. También examinaron el daño al tejido y midieron que genes fueron encendidos y apagados según la infección progresó. Uno de sus encuentros claves fue que el hígado y el colon respondieron diferente a la infección.

En el colon, pero no en el hígado, el neutrófilo secretó ácido hipocloroso (también encontrado en los limpiadores caseros), que daña significativamente las proteínas, el ADN y el ARN añadiendo un átomo de cloro a ellos. El ácido hipocloroso tiene la intención de matar a las bacterias, pero también puede filtrarse en el tejido circundante y daña las células epiteliales del colon.

Los investigadores encontraron niveles de uno de los productos del daño por cloro en el ADN y ARN, clorotirosina, bien correlacionada con la severidad de la inflamación, lo que podría permitirles predecir el riesgo de inflamación crónica en pacientes con infecciones del colon, hígado o estómago. Tannenbaum recientemente identificó otro producto del daño por cloro en proteínas: clorotirosina, la que se correlaciona con inflamación. Mientras que estos resultados apuntan a un papel importante de los neutrófilos en la inflamación y el cáncer, “aún no sabemos si podemos predecir el riesgo de cáncer de estas moléculas dañadas”, dice Dedon.

Otra diferencia que encontraron los investigadores entre el colon y el hígado fue que los sistemas de reparación de ADN se volvieron más activos en el hígado pero menos activos en el colon, aún cuando ambos estaban experimentando daño de ADN. “Es posible que tengamos un doble efecto [en el colon]. Tienes estas bacterias que suprimen la reparación de ADN, al mismo tiempo que tienes todo este daño al ADN ocurriendo en el tejido como resultado de la respuesta inmune a las bacterias”, dice Dedon.

Los investigadores también identificaron varios tipos de daño al ADN previamente desconocidos en ratones y humanos, uno de los que involucran la oxidación de la guanina, un bloque de construcción de ADN, en dos nuevos productos, spiroiminodihidatoina (spiroiminodihydantoin) y guanidinohidanotoina (guanidinohydanotoin).

James Swenberg, un profesor de ciencias ambientales e ingeniería en la Universidad de la Escuela de Salud Pública de Carolina del Norte, dice que estudios “profundos e inovativos” deberían ayudar a los investigadores a entender mejor muchos tipos de cáncer. “No puedo recordar haber visto un artículo que trajo tantos aspectos de investigación a la mesa en un reporte”, dijo Swenberd, quien no estuvo involucrado en el estudio.

En futuros estudios, el equipo del MIT planea investigar los mecanismos del desarrollo del cáncer con más detalle, incluyendo ver por qué las células experimentan una disminución en algunos tipos de daño al ADN pero no en otros.

La investigación fue patrocinada por el Instituto Nacional del Cáncer de los Estados Unidos.

Reimpreso con permiso de MIT News.

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http://web.mit.edu/ (en inglés)

Investigadores logran interferencia ARN en un paquete más ligero

Una nanopartícula de ácido nucleico posee menos riesgo de efectos secundarios y ofrece mejor precisión al apuntarla.

Anne Trafton, MIT News Office. Original (en inglés).

Investigadores crearon está nano partícula con ADN y ARN para apagar genes en células cancerosas. Image: Hyukjin Lee and Ung Hee Lee

Usando una técnica conocida como “origami de ácido nucleico”, ingenieros químicos han construido pequeñas partículas hechas de ADN y ARN que pueden entregar trozos de ARN directamente a los tumores, apagando genes expresados en células de cáncer.

Para alcanzar este tipo de apagado de genes, conocido como interferencia ARN, mucho investigadores han tratado – con algo de éxito – de entregar ARN con partículas hechas de polímeros o lípidos. Sin embargo, esos materiales pueden poseer riesgos de seguridad y son difíciles de apuntar, dice Daniel Anderson, un profesor asociado de ciencias de la salud y tecnología e ingeniería química, y un miembro del Instituto David H. Koch para la Investigación Integrativa del Cáncer en el MIT (Massachusetts Institute of Technology – Instituto Tecnológico de Massachusetts).

Las nuevas partículas, desarrolladas por investigadores en el MIT, Alnylam Pharmaceuticals y la Escuela de Medicina de Harvard, parecen vencer aquellos desafíos, dice Anderson. Debido a que las partículas están hechas de ADN y ARN, son biodegradables y no poseen amenaza para el cuerpo. Pueden ser etiquetadas con moléculas de folato (la vitamina B9 o ácido fólico producida de manera natural por el cuerpo) para apuntar a la abundancia de receptores de folato encontrada en algunos tumores, incluyendo aquellos asociados con el cáncer de ovarios – uno de los cánceres más mortales y difíciles de tratar.

Anderson es autor principal de un artículo sobre las partículas que apareció en la edición del 3 de junio en Nature Nanotechnology. El autor líder del artículo es el antiguo posdoctorado del MIT Hyukjin Lee, ahora un profesor asistente en la Universidad de Mujeres Ewha en Seul, Corea del Sur.

Perturbación de genes

La interferencia ARN (RNAi por sus siglas en inglés), un fenómeno natural que las células usan para controlar su expresión genética, ha intrigado a los investigadores desde su descubrimiento en 1998. La información genética es normalmente cargada desde el ADN en el núcleo a ribosomas, estructuras celulares donde las proteínas son creadas. ARN interferente corto (siRNA por sus siglas en inglés de short interfering RNA), perturba este proceso al pegarse a las moléculas mensajeras ARN que cargan las instrucciones del ADN, destruyéndolas antes de que alcancen el ribosoma.

Nanopartículas que entregan siRNA hechas de lípidos, las que el laboratorio de Anderson y Alnylam también están desarrollando, han mostrado algo de éxito en apagar los genes del cáncer en estudios animales, y pruebas clínicas están ahora siendo llevadas a cabo en pacientes con cáncer de hígado. Las nanopartículas tienden a acumularse en el hígado, el bazo y los pulmones, así que el cáncer de hígado es un objetivo natural – pero ha sido difícil apuntar dichas partículas a tumores en otros órganos.

“Cuando piensas de cáncer metástatico, no quieres detenerte en el hígado”, dice Anderson. “También quieres llegar a más sitios diversos”.

Otro obstáculo para llenar la promesa del RNAi ha sido encontrar maneras de entregar las hebras cortas de ARN sin lastimar los tejidos saludables del cuerpo. Para evitar esos posibles efectos secundarios, Anderson y sus colegas decidieron entregar el ARN en un simple paquete hecho de ADN. Usando origami de ácido nucleico – que permite a los investigadores construir formas tridimensionales de segmentos cortos de ADN – fusionaron seis hebras de ADN para crear un tetraedro (una pirámide de seis bordes y cuatro caras). Una sola hebra de ARN fue entonces fijada a cada borde del tetraedro.

“Lo que es particularmente emocionante sobre el origami de ácido nucleico es el hecho de que puedes hacer partículas idénticas molecularmente y definir la localización de cada átomo”, dice Anderson.

Para apuntar las partículas a las células de tumor, los investigadores pegaron tres moléculas de folato a cada tetraedro. Los fragmentos de proteína cortos también podrían ser usados para apuntar las partículas a una variedad de tumores.

Usando origami de ácido nucleico, los investigadores tienen mucho más control sobre la composición de las partículas, volviendo más fácil crear partículas idénticas que todas busquen el mismo objetivo. Esto no es usualmente el caso con las nanopartículas de lípidos, dice Vinod Labhasetwar, un profesor de ingeniería biomédica en el Instituto de Investigación Lerner en la Clínica Cleveland. “Con partículas de lípidos, no estás seguro de qué fracción de las partículas realmente están llegando a los tejidos objetivo”, dice Labhasetwar, quien no estuvo involucrado en este estudio.

Circular y acumularse

En estudios de ratones implantados con tumores humanos, los investigadores encontraron que una vez inyectadas, las nanopartículas de ácido nucleico circularon en el torrente sanguíneo con una vida media de 24 minutos – el suficiente tiempo para alcanzar sus objetivos. El tetraedron de ADN parece proteger el ARN de la rápida absorción por los riñones y su excreción, lo que usualmente ocurre cuando el ARN es administrado por sí mismo, dice Anderson.

“Si tomas un ARN interferente corto y lo inyectas en el torrente sanguíneo, típicamente está fuera en seis minutos. Si haces una nanopartícula más grande usando métodos de origami, incrementa su habilidad para evitar la excreción a través de los riñones, incrementando por lo tanto su tiempo circulando por el corriente sanguíneo”, dice.

Los investigadores también mostraron que las nanopartículas de ácido nucleico se acumularon en los sitios del tumor. El ARN entregado por las partículas fue diseñado para apuntar a un gen por luciferasa (una enzima utilizada en bioluminiscencia), el cual fue agregado a las células del tumor para hacerlas brillar. Encontraron que en ratones tratados, la actividad de la luciferasa cayó más de la mitad.

El equipo diseña ahora nanopartículas para apuntar a genes que promueven el crecimiento del tumor, y también trabaja en apagar genes involucrados en otras enfermedades genéticas.

La investigación fue patrocinada por el Instituto Nacional de Salud (National Institutes of Health) de los Estados Unidos, el Centro para la Excelencia de la Nanotecnología del Cáncer (Cancer Nanotechnology Excellence), Alnylam Pharmaceuticals y la Fundación Nacional de Investigación de Corea.

Reimpreso con permiso de MIT News.

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http://web.mit.edu/ (en inglés)

Encontrando como funcionan los antibióticos

Un equipo descubre el mecanismo que produce daño fatal al ADN en bacterias.

Anne Trafton, MIT News Office. Original (en inglés).

La penicilina y otros antibióticos han revolucionado la medicina, convirtiendo enfermedades que alguna vez fueron mortales en males fácilmente tratables. Sin embargo, mientras que los antibióticos han estado en uso por más de 70 años, el mecanismo exacto por medio del cual matan a las bacterias ha sido un misterio.

Ahora un nuevo estudio por investigadores del MIT (Massachusetts Institute of Technology – Instituto Tecnológico de Massachusetts) y la Universidad de Boston revelan el mecanismo de muerte detrás de las tres grandes clases de antibióticos: Las drogas producen moléculas destructivas que dañan fatalmente el ADN bacterial a través de una larga cadena de eventos celulares.

Entendiendo los detalles de este mecanismo podría ayudar a los científicos a mejorar drogas existentes, de acuerdo a los investigadores. Pocos antibióticos nuevos han sido desarrollados en los últimos 40 años, y muchas cepas de bacteria se han vuelto resistentes a las drogas ahora disponibles.

“Uno podría mejorar la eficacia de muerte de nuestro arsenal actual, reducir las dosis requeridas o volver a sensibilizar cepas a los antibióticos existentes”, dice James Collins, un profesor de Ingeniería Biomédica en la Universidad de Boston, quien colaboró con Graham Walker, profesor de Biología del MIT, en un estudio que apareció en la edición del 20 de abril de la revista Science.

El autor líder del artículo es James Foti, un posdoctorado en el laboratorio de Walker. Otros autores son el posdoctorado del MIT Babho Devadoss y Jonathan Winkler, un doctor recientemente graduado en el laboratorio de Collins.

Radicales destructivos

En el 2007, Collins mostró que tres clases de antibióticos – quinolonas, betalactámicos y aminoglucósidos – matan células produciendo moléculas altamente destructivas conocidas como radicales hidroxilos. En el momento, él y otros sospechaban que los radicales lanzaban un ataque general contra cualquier componente de la célula que encontraban.

“Reaccionan con casi todo”, dice Walker. “Irán tras los lípidos, pueden oxidar proteínas, pueden oxidar el ADN”. Sin embargo, la mayoría de este daño no es fatal, encontraron los investigadores en el nuevo estudio.

Lo que es mortal a las bacterias es el daño inducido por hidroxilo a la guanina, una de las cuatro bases nucleótidas que constituyen el ADN. Cuando este daño es insertado en el ADN, las células tratan de reparar el año pero terminan acelerando su propia muerte. Este proceso “no causa todas las muertes, pero causa una cantidad notable de ellas”, dice Walker, quien es profesor de la Sociedad Americana del Cáncer.

Los estudios de Walker de las enzimas reparadoras del ADN llevaron a los investigadores a sospechar que esta guanina dañada, conocida como guanina oxidada, podría jugar un papel en la muerte celular por medio de antibióticos. En la primer fase de su investigación, mostraron que una enzima especializada en el copiado de ADN llamada DinB – parte del sistema de una célula para lidiar con el daño al ADN – es muy buena utilizando el bloque de construcción de guanina oxidada para sintetizar ADN.

Sin embargo, DinB no solo inserta guanina oxidada opuesta a su compañera base correcta, citosina, en la hebra complementaria cuando se está copiando el ADN, sino que también la inserta con su compañera incorrecta, adenina. Los investigadores encontraron que, cuando se han incorporado demasiadas guaninas oxidadas en nuevas hebras de ADN, los esfuerzos inútiles de la célula para remover estas lesiones resultaron en la muerte.

Basado en estos estudios de reparación muy básica de ADN, Walker y sus colegas crearon la hipótesis de que los radicales hidroxilos producidos por los antibióticos podrían ser el inicio mismo de la cascada de daño al ADN. Esto resultó ser el caso.

Una vez que la guanina oxidada causada por el tratamiento con antibióticos es insertada en el ADN, un sistema celular diseñado para reparar el ADN es activado. Enzimas especializadas conocidas como MutY y MutM hacen cortes en el ADN para iniciar su proceso de reparación que normalmente ayuda a las células a lidiar con la presencia de guanina oxidada en su ADN. Sin embargo, esta reparación es arriesgada porque requiere abrir la doble hélice del ADN, cortando una de sus cadenas mientras que la base incorrecta es reemplazada. Si dos de estas reparaciones se llevan a cabo en estrecha proximidad a las hebras opuestas de ADN, el ADN sufre un rompimiento de doble hélice, lo que usualmente es fatal a la célula.

“Este sistema, que normalmente debe estar protegiéndote y manteniéndote muy preciso, se vuelve tu verdugo”, dice Walker.

Deborah Hung, una profesora de Microbiología e Inmunobiología en la Escuela Médica de Harvard, dice que el nuevo estudio representa “el próximo capítulo importante mientras que atravesamos un renacimiento de entendimiento sobre cómo funcionan los antibióticos. Solíamos pensar que sabíamos, y ahora nos damos cuenta de que todas nuestras suposiciones simples estaban equivocadas, y es mucho más complejo”, dice Hung, quien no fue parte de este estudio.

Nuevos objetivos

En algunos casos de daño al ADN inducido por antibióticos, la célula bacterial es capaz de salvarse a sí misma al reparar el rompimiento de doble hebra usando un proceso llamado recombinación homóloga. Desactivar las enzimas requeridas para la recombinación homóloga podría incrementar la sensibilidad de las bacterias a los antibióticos, dicen los investigadores.

“Nuestro trabajo sugiere que las proteínas involucradas en reparar las dobles-hebras rotas de ADN podrían ser objetivos interesantes detrás de los cuales ir como medio para afectar la eficacia de muertes de las drogas”, dice Collins.

Los investigadores, cuyo trabajo fue patrocinado por los Institutos Nacionales de Salud y el Instituto Médico Howard Hughes, también mostraron un mecanismo adicional que podría estar involucrado en las muertes de células causadas por uno de los tipos de antibióticos, aminoglucósidos: En células tratadas con estos antibióticos, la guanina oxidada es incorporada en el mensajero ARN, resultando en proteínas incorrectas que, a su vez, disparan más produción de radicales hidroxilos y así más guanina oxidada. Los investigadores trabajan ahora para avanzar aún más en su comprensión de cómo los antibióticos matan células.

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Entregando Ácido Ribonucleico con pequeñas esferas similares a esponjas

ARN pequeña esponja — Imagen: Hammond laboratory

Un nuevo método de interferencia de Ácido Ribonucleico (ARN, o RNA por sus siglas en inglés de RiboNucleic Acid) muestra promesa para tratar el cáncer, y otras enfermedades.

Anne Trafton, MIT News Office. Original (en inglés).

Durante la década pasada, científicos han estado siguiendo tratamientos de cáncer basados en interferencia de ARN – un fenómeto que ofrece una manera de apagar los genes con mal funcionamiento con pequeños trozos de ARN. Sin embargo, queda un enorme desafío: encontrar una manera de entregar eficientemente el ARN.

La mayoría del tiempo, ARN pequeño de interferencia (siRNA por sus siglas en inglés de small interfering RNA) – el tipo usado para interferencia ARN – es disuelto rápidamente dentro del cuerpo por enzimas que defienden contra infecciones por virus ARN.

“Ha sido una verdadera lucha el tratar de diseñar un sistema de entrega que nos permita administrar siRNA, especialmente si quieres apuntarle a partes específicas del cuerpo”, dijo Paula Hammond, Profesora de Ingeniería del David H. Koch en el MIT.

Hammond y sus colegas han llegado con un novedoso vehículo de entrega en el que el ARN es empacado dentro de microesferas tan densas que pueden resistir la degradación hasta alcanzar sus destinos. El nuevo sistema, descrito el 26 de febrero en el diario “Nature Materials”, derriba la expresión de genes específicos tan efectivamente como los métodos existentes de entrega, pero con una dosis mucho menor de partículas.

Dichas partículas podrían ofrecer una nueva manera de tratar no solo el cáncer, sino también cualquier otra enfermedad crónica causada por un “gen que no se comporta”, dijo Hammond, quien también es miembro del Instituto David H. Koch para Investigación de Cáncer Integrativa. “Interferencia de ARN tiene una enorme promesa para un gran número de enfermedades, una de las cuales es el cáncer, pero también enfermedades neurológicas y enfermedades inmunes”, dijo.

El autor líder de la revista académica es Jong Bum Lee, un antiguo postdoctorado en el laboratorio de Hammond. El postdoctorado Jinkee Hong, el doctor Daniel Bonner y el doctor Zhiyong Poon también son autores de la revista académica.

Interrupción genética

La interferencia de ARN es un proceso que ocurre naturalmente, descubierto en 1998, que permite a células ajustar precisamente su expresión genética. La información genética normalmente se carga del ADN en el núcleo a los ribosomas, estructuras celulares donde se forman las proteínas. siRNA se une al mensajero ARN que carga esta información genética, destruyendo instrucciones antes de que alcances al ribosoma.

Los científicos trabajan en muchas maneras para replicar artificialmente este proceso para apuntar a genes específicos, incluyendo empacar siRNA en nanopartículas hechas de lípidos (grasas) o materiales inorgánicos como el oro. Aunque muchas de éstas han mostrado algo de resultados, una desventaja es que es difícil cargar grandes cantidades de siRNA en estos cargueros, por que los cortos filamentos no se empacan ajustadamente.

Para superar esto, el equipo de Hammond decidió empacar el ARN como un largo filamento que se doblaría en una pequeña y compacta esfera. Los investigadores usaron un método para sintetizar ARN conocido como transcripción de círculo rotatorio para producir filamentos extremadamente largos de ARN hechos de una secuencia repetidora de 21 nucleoides. Esos segmentos están separados por una extensión más corta que es reconocida por la enzima Dicer, que corta el ARN cuando encuentra esa secuencia.

Conforme el filamento de ARN es sintetizado, se dobla en hojas que entonces se auto-ensamblan en una esfera muy densa similar a esponja. Hasta medio millón de copias de la misma secuencia de ARN pueden ser empacadas en una esfera con un diámetro de solo dos micrones. Una vez que la esferas se forman, los investigadores las empacan en una capa de polímero cargado positivamente, que induce a las esperas a empacarse aún más apretadas (hasta un diámetro de 200 nanómetros) y también las ayuda a entrar en las células.

Después de que las esferas entran a una célula, la enzima Dicer corta el ARN en lugares específicos, liberando las secuencias siRNA de 21 nucleótidos.

Peixuan Guo, director del Centro de Desarrollo de Nanomedicina NIH en la Universidad de Kentucky, dijo que el aspecto más emocionante del trabajo es el desarrollo de un método de auto-ensamblado para partículas de ARN. Guo, quien no fue parte del equipo de investigación, agrega que las partículas podrían ser más efectivas en entrar en las células si fueran encogidas a escalas aún más pequeñas, cercanas a los 50 nanómetros.

Apuntando a tumores

En la revista académica de “Nature Materials”, los investigadores probaron sus esferas programándolas para liberar secuencias de ARN que apagaran un gen que provoca que las células de tumores brillen en ratones. Encontraron que podían alcanzar el mismo nivel de derribo de sistemas de entrega de nanopartículas convencionales, pero utilizando hasta mil veces menos partículas.

Las microesponjas se acumulan en los sitios de tumores a través de un fenómeno comúnmente utilizado para entregar nanopartículas: Los vasos sanguíneos que rodean tumores tienen “filtraciones,” lo que significa que tienen pequeños poros a través de los cuales muy pequeñas partículas pueden colarse.

En estudios futuros, los investigadores planean diseñar microesferas recubiertas con polímeros que específicamente apunten a células de tumores u otras células de enfermedades. También trabajan en esferas que carguen ADN, para un potencial uso en terapia genética.

Reimpreso con permiso de MIT News.

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Errores metabólicos pueden significar la muerte para el ADN

Muchas funciones celulares críticas dependen de una clase de moléculas llamadas purinas, que forma la mitad de los bloques de construcción del ADN y el ARN (ácido ribonucleico), y son los mayores componentes de los químicos que guardan la energía de las células. Las células mantienen un control rígido sobre su suministro de purina, y cualquier alteración de eso puede tener serias consecuencias.

Por Anne Trafton, MIT News Office. Original (en inglés).

Los ingenieros biológicos del MIT (Massachusetts Institute of Technology – Instituto Tecnológico de Massachusetts) midieron precisamente los efectos de errores en sistemas para la producción y el consumo de la purina. Encontraron que defectos en las enzimas que controlan estos procesos pueden alterar severamente las secuencias de ADN de las células, lo que podría explicar por que la gente que carga ciertas variantes genéticas de enzimas metabólicas de purina tienen un riesgo más alto para algunos tipos de cáncer.

El ADN consiste usualmente de una secuencia de cuatro bloques de construcción o nucleótidos: adenina (A), guanina (G), citosina (C) y timina (T). La guanina y la adenina son purinas, y cada una tiene un pariente estructural cercano que puede tomar su lugar en el ADN o el ARN. Cuando estos nucleótidos, conocidos como xantina e hipoxantina, son insertados por error en el ADN, causan mutaciones. También pueden interferir con las funciones del mensajero ARN (mARN), que carga las instrucciones del ADN al resto de la célula, y las moléculas de ARN que traducen mARN en proteínas.

“Una célula necesita controlar la concentración muy cuidadosamente para que tenga justo la información correcta de bloques de construcción cuando está sintetizando ADN. Si la célula tiene un desbalanceo en la concentración de estos nucleótidos, va a cometer un error”, dijo Peter Dedon, un profesor de ingeniería biológica en el MIT y autor del estudio, el cual aparecerá en la revista científica Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) la semana del 30 de Enero.

Además de formar la columna vertebral del ADN y el ARN, las purinas también son un componente principal del adenosín trifosfato (ATP), la energía concurrente de la célula; de otras moléculas que manejan el flujo de energía de la célula; y de pequeños cofactores químicos requeridos para la actividad de miles de enzimas celulares.

Metabolismo anormal

Docenas de enzimas están involucradas en el metabolismo de purina, y se sabe hace mucho que el mal funcionamiento de esas enzimas pueden tener efectos adversos. Por ejemplo, perder una enzima que salva purina, que recupera nucleótidos de ADN y ARN degradados, lleva a niveles sanguíneos altos de ácido úrico, causando gota y piedras en los riñones – y en casos extremos, un desorden neurológico llamado síndrome de Lesch-Nyhan. Perder otra enzima de salvado produce una enfermedad llamada inmunodeficiencia combinada severa.

El metabolismo anormal de la purina también puede llevar a efectos secundarios para la gente tomando una clase de drogas llamadas tiopurinas. En algunas personas, estas drogas, comúnmente usadas para tratar la leucemia, el linfoma, la enfermedad de Crohn, artritis reumatoide y el rechazo de órganos trasplantados, puede ser metabolizada en compuestos tóxicos. Pruebas genéticas pueden revelar que pacientes deben evitar drogas de tiopurina.

En el nuevo estudio, Dedon y sus colegas alteraron alrededor de media docena enzimas que metabolizan purina en E. coli y levadura. Después de alterar las enzimas, los investigadores midieron cuanta xantina e hipoxantina fue integrada en el ADN y el ARN de las células, usando una técnica de espectrometría de masas altamente sensible que habían desarrollado previamente para estudiar el daño causado al ADN y el ARN por inflamación.

Encontraron que las enzimas que no funcionan bien podrían producir incrementos dramáticos – hasta 1,000 veces más – en las cantidades de hipoxantina incorporada al ADN y el ARS en lugar de la adenina. Sin embargo, vieron poco cambio en la cantidad de xantina insertada en lugar de guanina.

Chris Mathews, un profesor emérito de bioquímica y biofísica en la Universidad Estatal de Oregon, dijo que el encuentro podría ayudar a los investigadores a entender mejor como los defectos en el metabolismo de la purina causan enfermedades. “Esta revista académica abre la puerta a numerosos estudios – por ejemplo, viendo los efectos biológicos resultantes de la acumulación de bases anormales en el ADN y ARN”, dijo Mathews, quien no estuvo involucrado en este estudio.

Científicos han encontrado una buena cantidad de variaciones genéticas en las enzimas que metabolizan purina en humanos, por lo que el equipo planea investigar el impacto de esas variantes humanas de inserción de xantina e hipoxantina en el ADN. También están interesados en estudiar el metabolismo de los otros dos nucleótidos encontrados en el ADN, citosina y timina, los que son pirimidinas.

Reimpreso con permiso de MIT News.

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http://web.mit.edu/ (en inglés)