Avances en Ingeniería Genética con POLAR-seq

La biología sintética y la ingeniería metabólica se centran en diseñar organismos que puedan realizar nuevas tareas o producir sustancias valiosas. Los científicos modifican los genes de estos organismos para crear lo que se conoce como organismos hospedadores diseñados. Este proceso generalmente implica insertar genes específicos y elementos que controlan su actividad en un solo lugar del ADN del organismo.

#Los desafíos en la ingeniería metabólica

En la ingeniería metabólica, se necesitan varios pasos para crear rutas que lleven a la producción de moléculas deseadas. Esto requiere un balance cuidadoso. Los científicos deben asegurarse de que la molécula objetivo se produzca en cantidades suficientes mientras mantienen las condiciones adecuadas dentro del organismo. Es crucial evitar sobrecargar los procesos naturales del organismo y prevenir la acumulación de sustancias dañinas en su interior.

Normalmente, los investigadores utilizan un ciclo de diseñar, construir, probar y aprender para perfeccionar el organismo diseñado. Este método puede ser lento y complejo, creando la necesidad de estrategias más rápidas.

#Nuevas herramientas para una ingeniería más rápida

Para acelerar este proceso, han surgido nuevas herramientas de biología sintética. Estas herramientas utilizan métodos de ensamblaje de ADN modular que permiten a los científicos construir rápidamente muchas combinaciones genéticas diferentes. Al combinar estos métodos con pruebas funcionales, los investigadores pueden encontrar las mejores configuraciones de genes más rápido que antes. Esto significa que pueden analizar muchas combinaciones de genes en un solo experimento.

Otros aspectos que los científicos exploran incluyen cómo la posición y el arreglo de los genes afectan su actividad. Estos estudios pueden revelar mejores maneras de optimizar estas configuraciones genéticas.

#Creando diversidad en la ingeniería genética

Al ensamblar conjuntos de genes para una función específica, los investigadores a menudo crean piscinas de secuencias de genes. Estas piscinas pueden ser transformadas en el organismo hospedador para asegurarse de que los genes se integren bien en su ADN. Sin embargo, hay un enfoque alternativo donde todos los genes destinados a una función se colocan en un solo lugar en el ADN del organismo hospedador. Luego, métodos dirigidos pueden crear diversidad entre estos genes en el organismo vivo, permitiendo la generación rápida de muchas variaciones.

#Un método notable: SCRaMbLE

Un método ampliamente conocido para crear variaciones en genes sintéticos se llama SCRaMbLE. Esta técnica reorganiza el ADN en regiones que tienen sitios de reconocimiento específicos. Desarrollado inicialmente para levaduras, SCRaMbLE permite cambios controlados, como eliminar o duplicar genes.

Aunque inicialmente se pretendía ayudar a los científicos a entender las funciones de los genes, también ha mostrado promesa en afinar diseños genéticos. Por ejemplo, en levaduras, se utilizó SCRaMbLE para crear una biblioteca de cepas que aumentaron significativamente la producción de un compuesto llamado β-caroteno.

#Nuevas opciones para la optimización de genes

Recientemente, se desarrolló un nuevo sistema inspirado en SCRaMbLE para optimizar las expresiones génicas. Este método puede reorganizar elementos reguladores de los genes, diversificando aún más cómo se expresan los genes en una población de células.

#La necesidad de velocidad en la determinación del genotipo

A medida que los métodos combinatorios se vuelven populares en la biología sintética, un desafío significativo sigue siendo la velocidad con la que se puede analizar la información genética. Al probar grandes cantidades de cepas, los investigadores dependen de la fluorescencia u otras propiedades para identificar a los candidatos más prometedores. Después del análisis, es necesario determinar las secuencias de ADN subyacentes de estas cepas de mejor rendimiento para encontrar conexiones entre las configuraciones genéticas y sus efectos.

Este enfoque funciona bien para secuencias cortas, pero cuando los investigadores tratan con construcciones de múltiples genes, los métodos tradicionales pueden ser insuficientes. A menudo, se requiere la secuenciación de todo el genoma, pero este proceso es costoso y toma tiempo. Como resultado, generalmente solo se secuencian unas pocas cepas, y se pierde mucha información potencialmente valiosa.

#Un nuevo método de secuenciación: POLAR-seq

Para abordar estos desafíos, se introdujo un nuevo método llamado secuenciación POLAR (POLAR-seq). Este método sencillo incluye tres pasos principales: aislar ADN de células, amplificar la región de ADN deseada usando PCR y secuenciarla utilizando tecnología de lectura larga.

El método permite a los investigadores analizar arreglos genéticos complejos más eficientemente que antes. Con POLAR-seq, es posible obtener una imagen más clara de las variaciones genéticas dentro de una población de células después de que han pasado por cambios genéticos.

#Optimización de PCR de largo alcance

Uno de los desafíos con la amplificación de PCR de largo alcance es la calidad del ADN utilizado como plantilla. Se prefieren muestras de ADN de alto peso molecular para asegurar una amplificación exitosa. Identificar las condiciones adecuadas para el proceso de PCR, incluyendo la selección de la polimerasa de ADN correcta, es crucial para generar resultados de alta calidad.

La elección de la polimerasa afecta la capacidad de amplificar segmentos largos de ADN. Al probar diferentes opciones, los investigadores encontraron que ciertas polimerasas funcionaban mejor, permitiendo la amplificación exitosa de segmentos más grandes necesarios para la secuenciación.

#Probando piscinas de células

Una vez que se estableció el método para PCR de largo alcance, los investigadores pasaron a probar la capacidad de amplificar ADN de piscinas de células en lugar de solo colonias individuales. Al preparar estas piscinas e inducir cambios genéticos, pudieron amplificar efectivamente el ADN necesario para la secuenciación, revelando información valiosa sobre los arreglos genéticos formados durante el proceso.

#Analizando los datos de secuenciación de lectura larga

Tras secuenciar los productos de PCR de largo alcance, los investigadores analizaron los datos obtenidos. Identificaron con éxito numerosas combinaciones genéticas únicas resultantes de los procesos de reorganización. Este proceso de identificación rápida permitió obtener información sobre eliminaciones de genes y otras Variaciones Estructurales, dando a los científicos una vista detallada del paisaje genético resultante.

#Entendiendo las reorganizaciones genéticas

El análisis de datos mostró que ciertos genes eran más propensos a ser eliminados que otros. Al cuantificar la presencia de cada gen, los investigadores pudieron inferir detalles sobre su importancia en el mantenimiento de la configuración genética. Este tipo de análisis ayuda a resaltar genes esenciales que son cruciales para la supervivencia y funcionalidad en condiciones específicas.

#Usando POLAR-seq más allá del análisis estructural

Si bien POLAR-seq demostró ser efectivo para analizar eliminaciones y otras reorganizaciones, su potencial se extiende más allá de solo cambios estructurales. Este método también puede usarse para descubrir diseños óptimos para configuraciones genéticas.

Por ejemplo, en lugar de elegir selectivamente componentes genéticos, los investigadores podrían ensamblar una biblioteca de secuencias de genes en un solo paso, y luego utilizar el análisis funcional junto con POLAR-seq. Además, los investigadores pueden rastrear la adaptación de diferentes combinaciones genéticas a lo largo del tiempo, lo que lleva a una mejor comprensión de qué configuraciones funcionan mejor bajo varias condiciones.

#Rentabilidad de POLAR-seq

Una de las ventajas de POLAR-seq es su asequibilidad. En comparación con métodos alternativos, ofrece una forma rentable de analizar una gran cantidad de variaciones genéticas. Los materiales básicos necesarios para el experimento pueden mantener bajos los costos, haciéndolo accesible para una gama más amplia de aplicaciones de investigación.

#Abordando posibles limitaciones

Aunque POLAR-seq es poderoso, tiene limitaciones. El método se centra en variaciones estructurales en lugar de detectar cambios a nivel de base individual. Esto significa que puede no capturar todas las sutilezas de la variación genética presente en los organismos.

Para mejorar la calidad de los datos, el uso de polimerasas de alta fidelidad puede ayudar a reducir la tasa de error durante el paso de PCR. Además, los avances en las tecnologías de secuenciación continúan mejorando la precisión general de los métodos utilizados.

#Conclusión

En resumen, el desarrollo de POLAR-seq representa un avance significativo en el campo de la biología sintética y la ingeniería metabólica. Al simplificar el proceso de análisis de configuraciones genéticas complejas, este método abre nuevas oportunidades para que los investigadores comprendan mejor y utilicen organismos diseñados. La capacidad de evaluar rápida y precisamente las variaciones genéticas tiene el potencial de acelerar descubrimientos en diversas aplicaciones, desde la biotecnología hasta la medicina. A medida que los métodos avanzan, mejoras adicionales podrían permitir una comprensión aún mayor de la complejidad de la ingeniería genética.