Al igual que el Internet de las Cosas (IoT), el IoB se refiere al acceso y control del cuerpo humano a través de Internet. Un artículo de científicos de 3M y la Universidad de Maryland, publicado por Nature Communications en mayo de 2020, detalla cómo CRISPR puede utilizarse para conectar eléctricamente con el genoma y, como prueba de concepto, mostrar el control sobre las redes informativas transcripcionales dentro de E. coli y Salmonella.
Por Naren Bhokisham y Eric VanArsdale
La tecnología ha desempeñado un papel transformador en nuestras vidas y su impacto en la salud humana nunca se ha sentido más que en los tiempos actuales de la pandemia mundial de Covid-19. En este escenario, el desarrollo de sistemas autónomos de detección y actuación en materia de salud, también denominados sistemas de bucle cerrado que “perciben” y “actúan” ante una condición biológica (Kovatchev et al., 2009; Berényi et al., 2012), puede desempeñar un papel fundamental para hacer frente a las crisis sanitarias del futuro. El éxito de la adopción de sistemas electrónicos de bucle cerrado para la salud humana depende del desarrollo de nuevos métodos de actuación biológica, que hasta ahora se han limitado a la centenaria estimulación neuronal y la optogenética. Los avances recientes en el campo de la actuación biológica provienen de la biología sintética, donde nuestro grupo y otros han informado de circuitos genéticos que responden a señales eléctricas con la expresión de genes específicos de interés (Weber et al., 2008; Tschirhart et al., 2017; Krawczyk et al., 2020). En una publicación anterior, nuestro grupo había detallado un promotor bacteriano SoxS basado en redox que responde a señales electroquímicas específicas que pueden generarse a través de un electrodo externo. Utilizando este promotor, se pueden expresar transgenes específicos de interés en bacterias en respuesta a estímulos eléctricos programados. En este trabajo, hemos dado el siguiente salto lógico para esta tecnología, es decir, utilizar las señales eléctricas para conectar y controlar las redes transcripcionales en el genoma de las células (Bhokisham et al., 2020).
Para ayudarnos en nuestra búsqueda, explotamos la tecnología CRISPR que proporciona los medios para dirigirse a cualquier objetivo específico en el genoma. En concreto, utilizamos el activador transcripcional basado en dCas9 para activar y reprimir eléctricamente determinados genes de interés. En primer lugar, integramos el sistema CRISPR con el promotor electrosensible basado en SoxR, y optimizamos varios componentes implicados en el sistema CRISPR para hacer un sistema sintonizable e inducible. De este modo, utilizando CRISPR activamos eléctricamente LasI, un autoinductor-1 (AI-1) sintasa que resulta en la generación de AI-1, un mediador de detección de quórum (Fig. 2 y 3). Más tarde, reutilizamos el activador CRISPR para reprimir simultáneamente algunos genes. Dado que el estímulo electroquímico que impulsa el promotor de SoxS también induce estrés oxidativo, las células bacterianas activan respuestas intrínsecas de defensa contra el estrés para atenuar los estímulos eléctricos. Usamos el activador CRISPR reprimido para reprimir la activación de las defensas contra el estrés oxidativo en E. coli y S. enterica, lo que condujo a una mayor producción del promotor que responde a los estímulos eléctricos (Fig. 4). Cuando se sitúa en el contexto de los complejos gradientes de señales espacio-temporales en la interfaz bioelectrónica, las células con defensas de estrés oxidativo reprimidas mostraron respuestas más alineadas en relación con los gradientes de señales externas (Fig. 5). Este concepto de silenciamiento de ciertos elementos del genoma para mantener una mejor congruencia con los entornos externos está inspirado en la naturaleza y se encuentra también en la embriogénesis y en la levadura (Yu et al., 2008; Paulsen et al.,2011).
En general, esperamos que el control eléctrico de las redes transcripcionales en las células encuentre muchas aplicaciones biotecnológicas, como las bacterias probióticas de ingeniería que podrían programarse para responder a estímulos eléctricos en el intestino. A más largo plazo, al igual que las vacunas basadas en el ADN se electroporan en el cuerpo humano para combatir el Covid-19, cabe esperar que los circuitos promotores electrogenéticos se inserten en las células humanas para abrir una nueva modalidad de señalización bioelectrónica.
Obras citadas
Berényi, A. et al. (2012) ‘Closed-loop control of epilepsy by transcranial electrical stimulation’, Science, 337(6095), pp. 735–737. doi: 10.1126/science.1223154.
Bhokisham, N. et al. ‘A redox-based electrogenetic CRISPR system to connect with and control biological information networks’, Nature Communications. Nature Publishing Group, 11, 2427 (2020). https://doi.org/10.1038/s41467-020-16249-x
Kovatchev, B. P. et al. (2009) ‘In Silico Preclinical Trials: A Proof of Concept in Closed-Loop Control of Type 1 Diabetes’, Journal of Diabetes Science and Technology, 3(1), pp. 44–55. doi: 10.1177/193229680900300106.
Krawczyk, K. et al. (2020) ‘Electrogenetic cellular insulin release for real-time glycemic control in type 1 diabetic mice’, Science, 368(6494), pp. 993–1001. doi: 10.1126/science.aau7187.
Paulsen, M. et al. (2011) ‘Negative feedback in the bone morphogenetic protein 4 (BMP4) synexpression group governs its dynamic signaling range and canalizes development’, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 108(25), pp. 10202–10207. doi: 10.1073/pnas.1100179108.
Tschirhart, T. et al. (2017) ‘Electronic control of gene expression and cell behaviour in Escherichia coli through redox signalling’, Nature Communications. Nature Publishing Group, 8(1), p. 14030. doi: 10.1038/ncomms14030.
Weber, W. et al. (2008) ‘A synthetic mammalian electro-genetic transcription circuit’, Nucleic Acids Research, 37(4), pp. e33–e33. doi: 10.1093/nar/gkp014.
Yu, R. C. et al. (2008) ‘Negative feedback that improves information transmission in yeast signalling’, Nature, 456(7223), pp. 755–761. doi: 10.1038/nature07513.
Sobre los autores
Naren Bhokisham es Científico de 3M. Eric VanArsdale es Asistente graduado en la Universidad de Maryland. Estados Unidos.
Fuentes:
Bhokisham, N., VanArsdale, E., Stephens, K.T. et al. A redox-based electrogenetic CRISPR system to connect with and control biological information networks. Nat Commun 11, 2427 (2020). https://doi.org/10.1038/s41467-020-16249-x
Naren Bhokisham, et al., en Nature Bioengineering Community: Internet of Bodies (IoB)- Using CRISPR to electrically connect with and control the genome.
