Durante décadas, los biólogos sintéticos han estado desarrollando circuitos genéticos que pueden transferirse a las células para aplicaciones tales como la reprogramación de una célula madre para convertirla en una neurona o la generación de una proteína que podría ayudar a tratar una enfermedad como el síndrome del cromosoma X frágil.

Estos circuitos genéticos suelen introducirse en las células mediante portadores como virus no patógenos. Sin embargo, ha sido difícil garantizar que estas células produzcan la cantidad correcta de la proteína codificada por el gen sintético.

Para superar este obstáculo, los ingenieros del MIT diseñaron un nuevo mecanismo de control que les permite establecer un nivel de proteína deseado, o punto de ajuste, para cualquier circuito genético. Este enfoque también les permite modificar el punto de ajuste una vez finalizado el circuito.

“Esta es una herramienta realmente estable y multifuncional. Es muy modular, por lo que se podrían controlar muchos transgenes con este sistema”, afirma Katie Galloway, profesora adjunta de Ingeniería Química en el MIT y autora principal del nuevo estudio.

Utilizando esta estrategia, los investigadores demostraron que podían inducir a las células a generar niveles constantes de proteínas diana. En una aplicación demostrada, convirtieron fibroblastos embrionarios de ratón en neuronas motoras mediante la administración de altos niveles de un gen que promueve dicha conversión.

La estudiante de posgrado del MIT, Sneha Kabaria, es la autora principal del artículo, publicado hoy en Nature Biotechnology. Otros autores son Yunbeen Bae (promoción de 2024); las estudiantes de posgrado del MIT Mary Ehmann, Brittany Lende-Dorn, Emma Peterman y Kasey Love; el doctor Adam Beitz (promoción de 2025); y el ex posdoctorado del MIT Deon Ploessl.

Aumentando la expresión genética

Los circuitos genéticos sintéticos están diseñados para incluir no solo el gen de interés, sino también una región promotora. En este sitio, los factores de transcripción y otros reguladores pueden unirse, activando la expresión del gen sintético.

Sin embargo, no siempre es posible lograr que todas las células de una población expresen el gen deseado de forma uniforme. Una razón es que algunas células pueden adoptar solo una copia del circuito, mientras que otras reciben muchas más. Además, la cantidad de proteína que producen varía de forma natural en las células.

Esto ha hecho que la reprogramación celular sea un desafío porque es difícil garantizar que cada célula de una población de células de la piel, por ejemplo, produzca suficientes factores de transcripción necesarios para realizar una transición exitosa a una nueva identidad celular, como una neurona o una célula madre pluripotente inducida.

En el nuevo artículo, los investigadores idearon una forma de controlar los niveles de expresión génica modificando la distancia entre el gen sintético y su promotor. Descubrieron que, cuando había un "espaciador" de ADN más largo entre la región promotora y el gen, este se expresaba a un nivel menor. Demostraron que esa distancia adicional reduce la probabilidad de que los factores de transcripción unidos al promotor activen eficazmente la transcripción génica.

Luego, para crear puntos de ajuste editables, los investigadores incorporaron sitios dentro del espaciador que pueden ser extirpados por una enzima llamada Cre recombinasa. Al cortar partes del espaciador, se ayuda a acercar los factores de transcripción al gen de interés, lo que aumenta la expresión génica.

Los investigadores demostraron que podían crear espaciadores con múltiples puntos de escisión, cada uno dirigido por diferentes recombinasas. Esto les permitió crear un sistema llamado DIAL, que podían usar para establecer puntos de ajuste "alto", "medio", "bajo" y "desactivado" para la expresión génica.

Una vez que el segmento de ADN que contiene el gen y su promotor se entrega a las células, se pueden agregar recombinasas a las células, lo que permite editar el punto de ajuste en cualquier momento.

Los investigadores demostraron su sistema en células de ratón y humanas administrando el gen para diferentes proteínas fluorescentes y genes funcionales, y demostraron que podían obtener una expresión uniforme en una población de células en el nivel objetivo.

Logramos un control uniforme y estable. Esto es muy emocionante para nosotros, ya que la falta de un control uniforme y estable ha sido uno de los factores que ha limitado nuestra capacidad para construir sistemas fiables en biología sintética. Cuando hay demasiadas variables que afectan al sistema, y ​​a esto se suma la variación biológica normal, es muy difícil construir sistemas estables, afirma Galloway.

Reprogramación de células

Para demostrar las posibles aplicaciones del sistema DIAL, los investigadores lo utilizaron para administrar diferentes niveles del gen HRas G12V a fibroblastos embrionarios de ratón. Se ha demostrado previamente que esta variante de HRas aumenta la tasa de conversión de fibroblastos en neuronas. El equipo del MIT descubrió que, en las células que recibieron una dosis más alta del gen, un mayor porcentaje logró transformarse con éxito en neuronas.

Con este sistema, los investigadores esperan realizar estudios más sistemáticos de los diferentes factores de transcripción que pueden inducir la transición celular a diferentes tipos celulares. Estos estudios podrían revelar cómo los diferentes niveles de estos factores afectan la tasa de éxito y si la modificación de los niveles de estos factores podría alterar el tipo celular generado.

En un trabajo en curso, los investigadores han demostrado que DIAL se puede combinar con un sistema que desarrollaron previamente, conocido como ComMAND, que utiliza un ciclo de retroalimentación para ayudar a evitar que las células sobreexpresen un gen terapéutico.

Utilizando estos sistemas en conjunto, podría ser posible adaptar las terapias genéticas para producir niveles de proteína específicos y consistentes en las células objetivo de pacientes individuales, dicen los investigadores.

“Esto es algo que nos entusiasma porque tanto DIAL como ComMAND son altamente modulares, por lo que no solo se podría tener una terapia génica bien controlada que sea más bien general para una población, sino que, en teoría, se podría adaptar a cualquier persona o cualquier tipo de célula”, dice Galloway.

La investigación fue financiada, en parte, por el Instituto Nacional de Ciencias Médicas Generales, la Fundación Nacional de Ciencias y el Instituto de Biotecnologías Colaborativas.

​Autor​