Las proteínas autoensamblables pueden almacenar «recuerdos» celulares

A medida que las células realizan sus funciones cotidianas, activan una variedad de genes y vías celulares. Los ingenieros del MIT ahora han persuadido a las células para que inscriban la historia de estos eventos en una larga cadena de proteínas que se puede visualizar con un microscopio óptico.

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Las células programadas para producir estas cadenas agregan continuamente bloques de construcción que codifican eventos celulares particulares. Más tarde, las cadenas de proteínas ordenadas pueden etiquetarse con moléculas fluorescentes y leerse bajo un microscopio, lo que permite a los investigadores reconstruir el momento de los eventos.

Esta técnica podría ayudar a arrojar luz sobre los pasos que subyacen en procesos como la formación de la memoria, la respuesta al tratamiento farmacológico y la expresión génica.

«Hay muchos cambios que ocurren a escala de órganos o cuerpos, durante horas o semanas, que no se pueden rastrear con el tiempo», dice Edward Boyden, el profesor Y. Eva Tan en Neurotecnología, profesor de ingeniería biológica y cerebro y cognitiva. ciencias en el MIT, investigador del Instituto Médico Howard Hughes y miembro del Instituto McGovern para la Investigación del Cerebro y del Instituto Koch para la Investigación Integral del Cáncer del MIT.

Si la técnica pudiera extenderse para trabajar durante períodos de tiempo más largos, también podría usarse para estudiar procesos como el envejecimiento y la progresión de la enfermedad, dicen los investigadores.

Boyden es el autor principal del estudio, que aparece hoy en Naturaleza Biotecnología. Changyang Linghu, ex becario postdoctoral J. Douglas Tan en el Instituto McGovern, que ahora es profesor asistente en la Universidad de Michigan, es el autor principal del artículo.

historia celular

Los sistemas biológicos, como los órganos, contienen muchos tipos diferentes de células, todas las cuales tienen funciones distintivas. Una forma de estudiar estas funciones es obtener imágenes de proteínas, ARN u otras moléculas dentro de las células, que brindan pistas sobre lo que están haciendo las células. Sin embargo, la mayoría de los métodos para hacer esto ofrecen solo un atisbo de un único momento en el tiempo, o no funcionan bien con poblaciones muy grandes de células.

“Los sistemas biológicos a menudo se componen de una gran cantidad de diferentes tipos de células. Por ejemplo, el cerebro humano tiene 86 mil millones de células”, dice Linghu. «Para comprender ese tipo de sistemas biológicos, necesitamos observar eventos fisiológicos a lo largo del tiempo en estas grandes poblaciones de células».

Para lograrlo, al equipo de investigación se le ocurrió la idea de registrar eventos celulares como una serie de subunidades de proteínas que se agregan continuamente a una cadena. Para crear sus cadenas, los investigadores utilizaron subunidades de proteínas diseñadas, que normalmente no se encuentran en las células vivas, que pueden autoensamblarse en largos filamentos.

Los investigadores diseñaron un sistema codificado genéticamente en el que una de estas subunidades se produce continuamente dentro de las células, mientras que la otra se genera solo cuando ocurre un evento específico. Cada subunidad también contiene un péptido muy corto llamado etiqueta de epítopo; en este caso, los investigadores eligieron etiquetas llamadas HA y V5. Cada una de estas etiquetas se puede unir a un anticuerpo fluorescente diferente, lo que facilita la visualización de las etiquetas más adelante y la determinación de la secuencia de las subunidades de proteína.

Para este estudio, los investigadores hicieron que la producción de la subunidad que contiene V5 dependiera de la activación de un gen llamado c-fos, que está involucrado en la codificación de nuevos recuerdos. Las subunidades etiquetadas con HA constituyen la mayor parte de la cadena, pero cada vez que aparece la etiqueta V5 en la cadena, eso significa que c-fos se activó durante ese tiempo.

“Esperamos utilizar este tipo de autoensamblaje de proteínas para registrar la actividad en cada célula”, dice Linghu. «No es solo una instantánea en el tiempo, sino que también registra la historia pasada, al igual que los anillos de los árboles pueden almacenar información de forma permanente a lo largo del tiempo a medida que crece la madera».

Grabación de eventos

En este estudio, los investigadores utilizaron por primera vez su sistema para registrar la activación de c-fos en neuronas que crecían en una placa de laboratorio. El gen c-fos se activó mediante la activación químicamente inducida de las neuronas, lo que provocó que la subunidad V5 se añadiera a la cadena proteica.

Para explorar si este enfoque podría funcionar en los cerebros de los animales, los investigadores programaron células cerebrales de ratones para generar cadenas de proteínas que revelarían cuándo los animales estuvieron expuestos a un fármaco en particular. Más tarde, los investigadores pudieron detectar esa exposición preservando el tejido y analizándolo con un microscopio óptico.

Los investigadores diseñaron su sistema para que sea modular, de modo que se puedan intercambiar diferentes etiquetas de epítopos o se puedan detectar diferentes tipos de eventos celulares, incluida, en principio, la división celular o la activación de enzimas llamadas proteínas quinasas, que ayudan a controlar muchas vías celulares. .

Los investigadores también esperan extender el período de grabación que pueden lograr. En este estudio, registraron eventos durante varios días antes de obtener imágenes del tejido. Existe una compensación entre la cantidad de tiempo que se puede registrar y la resolución de tiempo, o la frecuencia de registro de eventos, porque la longitud de la cadena proteica está limitada por el tamaño de la célula.

“La cantidad total de información que podría almacenar es fija, pero en principio podríamos ralentizar o aumentar la velocidad del crecimiento de la cadena”, dice Linghu. “Si queremos grabar durante más tiempo, podríamos ralentizar la síntesis para que alcance el tamaño de la célula que hay dentro, digamos dos semanas. De esa manera podríamos grabar más tiempo, pero con menos resolución de tiempo”.

Los investigadores también están trabajando en la ingeniería del sistema para que pueda registrar múltiples tipos de eventos en la misma cadena, aumentando la cantidad de subunidades diferentes que se pueden incorporar.

La investigación fue financiada por el Centro Hock E. Tan y K. Lisa Yang para la Investigación del Autismo, John Doerr, los Institutos Nacionales de Salud, la Fundación Nacional de Ciencias, la Oficina de Investigación del Ejército de EE. UU. y el Instituto Médico Howard Hughes.