Cine en una molécula de ADN

¿Y si fuésemos capaces de almacenar información en moléculas de ADN, en vez de un pendrive? Las nuevas técnicas de edición genética CRISPR-Cas nos podrían permitir eso y mucho más.

por Juan García-Bernalt Diego

En la neurona indiscreta nos gusta el cine, véase en la referencia de nuestro nombre, pero jamás pensamos que podríamos almacenar imágenes en el ADN. Sin embargo, un grupo de investigadores de la Universidad de Harvard, liderados por el investigador Seth L. Shipman, demostraron que esto era posible ya en 2017. Publicaron su metodología en la revista Nature. Vamos a ver cómo lo hicieron. 

Antes de empezar, tenemos que introducir el concepto de CRISPR-Cas, el sistema de edición genética más utilizado en la actualidad, cuyo desarrollo se premió con el Nobel en 2020. El sistema CRISPR-Cas está formado por dos componentes: CRISPR, que son secuencias cortas de ADN provenientes de fagos (virus de bacterias) que las bacterias incorporan a su genoma y les sirven para identificar rápidamente a estos fagos y evitar que las invadan. Es decir, los virus no pueden copiarse y reproducirse por sí mismos. Necesitan las herramientas que hay en la célula, en este caso una bacteria, para hacerlo. Para ello “engañan” al organismo en el que se introducen, para que copie y traduzca la información genética del virus, como si fuese suya propia. Lo que ocurre en bacterias es que al ser atacadas por los fagos, trocitos de estas secuencias que han copiado al ser “engañados” por el virus, en vez de eliminarse, pasan a formar parte de las secuencias propias de la bacteria, es decir, de su genoma. Estas señales en el genoma, que ahora son transmitidas de bacteria a bacteria al reproducirse, permiten que la próxima vez que le ataque este mismo fago, la bacteria pueda defenderse mucho más rápidamente, pues reconoce estas secuencias que provienen del fago y las destruye En la adquisición de esas secuencias y la inactivación de los fagos median las proteínas de la familia Cas, siendo la Cas9 la más conocida en ingeniería genética. Así el sistema CRISPR-Cas sirve de “sistema inmune primitivo” contra el ataque de los fagos.

Al descubrirlo, los investigadores en seguida se dieron cuenta del potencial de este sistema para insertar secuencias específicas en las bacterias. Simplemente bastaba con sustituir las secuencias de fagos, con secuencias de características similares, pero que tuvieran una función de interés para el investigador. Y, así, consiguieron un sistema de edición genética mucho más preciso que nada que se conociera antes. Este método se publicó en el año 2012, encabezado por las investigadoras Emmanuelle Charpentier y Jennifer Doudna, en la revista Science. Desde ese momento, el uso de la técnica ha crecido exponencialmente año a año.

Pero ¿cómo pasaron los investigadores Seth L. Shipman y sus colaboradores de un CRISPR-Cas a tener una película en una molécula de ADN? Ellos trabajaban con el sistema CRISPR Cas 1 y Cas2, una variante del CRISPR-Cas, que les permitía modificar el ADN de la bacteria E. coli, mediante secuencias de ADN de 28 nucleótidos llamados protospacers (es decir, secuencias de A, T, G y C en un orden determinado, hasta llegar a un total de 28 letras). Y, al más puro estilo de una película de detectives o espías, pensaron que quizás se podría codificar un mensaje en ese ADN modificado, de forma que al secuenciar el ADN de la bacteria, y decodificar ese mensaje, se pudiera reconstruir una película. ¿Pero, cómo? Elemental, mi querido Watson.

Empecemos por una foto en blanco y negro para ponernos la vida más fácil. Cualquier foto se puede dividir en pequeños cuadraditos llamados pixeles. Cada pixel está definido por su posición dentro de la imagen y por un valor de color, o un valor en la escala de grises para una foto en blanco y negro. En el ADN tenemos cuatro letras: A, C, G y T. Podríamos asignar a cada una de ellas un valor en la escala de grises y así podríamos guardar la información de 4 colores o valores en la escala de grises. Eso nos daría una imagen bastante simplificada. Para solucionar este problema podemos fijarnos en cómo funciona el código genético, en el que cada “pieza” que forma una proteína (llamadas aminoácidos) viene codificada por tres letras del ADN. Este código es degenerado, esto quiere decir que varias combinaciones de tres letras pueden dar lugar al mismo aminoácido. Si tomamos esta misma estrategia con los colores y asignamos uno a cada combinación de 3 letras de este código degenerado, obtenemos una escala de 21-colores para definir nuestra imagen, mucho más refinada. Ahora, si añadimos una señal de cuatro letras al principio de nuestra secuencia  que nos indique la posición en la que están los píxeles cuyos colores hemos codificado en las siguientes letras de la secuencia, voilá, ya tenemos nuestro mensaje completo.

Por resumir, asignamos a cada color un código de tres letras. Juntamos 9 de esos códigos de tres letras y les añadimos un código de 4 letras al principio, que nos diga a qué 9 píxeles dentro de la imagen se refiere este código. Hacemos lo mismo con todos los píxeles de la imagen. Una vez tenemos preparadas esas secuencias, se las insertamos a nuestras bacterias E. coli y las dejamos crecer. Al día siguiente, las bacterias se han multiplicado y podemos extraer su material genético y secuenciarlo (leer la secuencia). Si conocemos el código, podríamos construir nuevamente la imagen sin haber visto jamás la original y, haríamos una reconstrucción lo más fiel posible con una gama de 21 colores.

Figura. Representación esquemática de la codificación de una imagen en el ADN. Imaginémonos que tenemos la imagen inicial y la queremos codificar en ADN. Primero dividimos la imagen en pixeles. A cada color le damos un código de 3 letras. Luego, hacemos una secuencia con esos códigos y le añadimos cuatro letras al principio que nos sirvan para saber a qué píxeles nos referimos. Por CRISPR-Cas, metemos esas secuencias en nuestras bacterias E. coli y las dejamos crecer. Leemos la secuencia de esas bacterias y con las instrucciones que nos de, podemos reconstruir la imagen inicial.

Pero, ¿cómo utilizamos esta técnica para una película? Los investigadores escogieron un pequeño video de un caballo galopando, realizado con imágenes del libro “Locomoción humana y animal” del fotógrafo inglés Eadweard Muybridge, publicado en 1872, uno de los primeros intentos de hacer imágenes animadas. Como todos los videos, este se componía de fotogramas que van pasando muy rápidamente uno detrás de otro. Para no entrar en complicaciones innecesarias sólo tenía 5 fotogramas. Si nos vamos al código que hemos diseñado antes, en la que identificamos el color de cada pixel y su posición en la imagen, ahora habría que añadirle un nuevo valor, la posición de cada fotograma en el video, es decir, cuál va antes y cuál después dentro de la película.

Por suerte para los investigadores este escollo tiene fácil solución ya que, aplicando su técnica CRISPR-Cas solo con el primer fotograma, dejando a las bacterias crecer y volviendo a aplicar la técnica con el siguiente fotograma, estos, se colocan ordenadamente en el genoma. De forma que se podía conocer el orden de los fotogramas del video, simplemente por el orden que tenían las secuencias dentro de nuestra bacteria cinéfila. Así pues…cine en una molécula de ADN, como reza el título, aquí no hay clickbait.

Pero, aunque sea interesantísimo por sí mismo, te podrás preguntar ¿Y esto para qué?¿De qué me sirve a mí meter mis pelis en bacterias? Es más ¿De dónde saco yo una bacteria? La aplicación más evidente es el almacenaje de información. Para almacenar una imagen de 784 bytes, se necesitó una secuencia de 3.136 nucleótidos. Por simple regla de tres, si pensamos ya en un disco duro de 1 TB, que ocupa la palma de la mano, se necesitaría una secuencia de 4.000 millones de nucleótidos. El número puede asustar, pero si lo pasamos a peso, hablamos de 0,00000000001 gramos. Todo el cine de la historia nos cabría en menos de un gramo. ¡Increíble! Sin embargo, Seth L. Shipman, el primer autor de esta publicación explicaba en una entrevista que su objetivo no era meter películas en ADN, si no algo mucho más específico. Él, como neurocientífico, quería ver cómo células cerebrales durante el desarrollo, que tienen la misma información genética, se convierten en tipos muy diferentes de neuronas. Sin embargo, eso pasa en millones de células a la vez y es necesario estar observándolas constantemente o interrumpir el desarrollo del cerebro para poder estudiarlo a distintos tiempos. Extremadamente difícil y costoso. Y, aún así, muchos eventos importantes se perderían. Sin embargo, si con la tecnología CRISPR eran capaces de reconstruir una película, eso quería decir que, teóricamente, podrían marcar con diferentes secuencias distintos eventos importantes en el desarrollo de las neuronas. Como las secuencias se colocan en orden cronológico, se podría seguir ese desarrollo mucho más fácilmente que en la actualidad. Esto cambiaría por completo los datos que a día de hoy somos capaces de obtener en ciencia. Mucho trabajo queda por hacer hasta que ese momento llegue, pero el futuro es muy prometedor. Parece, nunca mejor dicho, ciencia-ficción.

Referencias

Principal

Shipman, S., Nivala, J., Macklis, J. et al. CRISPR–Cas encoding of a digital movie into the genomes of a population of living bacteria. Nature 547, 345–349 (2017). https://doi.org/10.1038/nature23017

Descripción del sistema CRISPR-Cas

Jinek M, Chylinski K, Fonfara I, Hauer M, Doudna JA, Charpentier E. A programmable dual-RNA-guided DNA endonuclease in adaptive bacterial immunity. Science. 2012 Aug 17;337(6096):816-21. https://doi.org/10.1126/science.1225829

Entrevista a Seth L. Shipman

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