Nanotecnología, natura, nurtura y epigenética.

No todo está determinado por el ADN, el medio que vivimos condiciona la persona en la que nos convertimos, el eslabón entre la natura y la nurtura (influencia del  ambiente) es la denominada epigenética. El ADN es una molécula larga empaquetada dentro del núcleo celular. Ese empaquetamiento se produce enrollando parte del ADN alrededor de unas proteínas llamadas histonas.  El ADN que se encuentra enrollado fuertemente no va a poder leerse (está silenciado), mientras que el que se encuentra sin enrollar, será leído fácilmente (se expresa). ¿Qué determina que se enrolle más o menos estrechamente con las histonas? Las modificaciones químicas son capaces de cambiar el grado de compactación y por lo tanto la expresión genética. Pese a no ser únicos existen dos ejemplos claros, la metilación del ADN y la acetilación de las histonas. Bajo determinadas circunstancias el ADN incorpora grupos metilo grupo (-CH₃) en las citosinas (letra C de las cuatro que conforman el código genético); esto hace que el ADN se empaquete fuertemente y por lo tanto podemos decir que el ADN metilado está silenciado. En cambio cuando las histonas se acetilan (grupo -CO-CH₃) pierden interacción con el ADN y este queda mucho más accesible para ser leído y por lo tanto se expresa.

Las citadas marcas o modificaciones químicas están influenciadas por el ambiente, el desafío de la epigenética es comprender los factores  capaces de modular el proceso y los mecanismos intervinientes. Un hecho comprobado es que nuestro genoma va modificando su epigenética a lo largo de la vida  jugando un papel importante en el desarrollo de muchas enfermedades incluyendo  el cáncer. Analizar los cambios de manera rápida y confiable puede contribuir significativamente al desarrollo posterior de la terapia personalizada por lo que resulta importante contar con los métodos adecuados para su seguimiento. En forma reciente, un equipo de investigación del Instituto de Fisiología de la Universidad de Freiburg ha logrado caracterizar los cambios químicos de las modificaciones epigenéticas  de la proteína histona H4, mediante su análisis utilizando nanoporos. Han publicado los resultados de su investigación en el artículo Resolving Isomeric Posttranslational Modifications Using a Biological Nanopore as a Sensor of Molecular Shape ( Journal of the American Chemical Society). 

Crédito: Sarthak Kumar. Univ. de Illinois

Si bien la secuenciación de ADN utilizando nanoporos ya está establecida y comercializada, el desarrollo del análisis de proteínas basado en nanoporos apenas comienza. La dificultad con la secuenciación de proteínas es que estas son moléculas con patrones de carga muy no uniformes. Mientras que el ADN, con carga negativa, migra direccionalmente en el campo eléctrico y, por lo tanto, puede ser arrastrado a través del nanoporo base por base; las proteínas consisten en bloques de construcción con diferentes cargas netas debido a la distinta cantidad  aminoácidos con grupos laterales ionizables que contribuyen a la carga total. Como resultado, no es posible un movimiento dirigido en el campo eléctrico para el "barrido" de aminoácido por aminoácido. Por lo tanto, los científicos de Friburgo se basaron en un enfoque diferente en sus experimentos, usaron un nanoporo hecho a medida con una especie de trampa molecular para distinguir claramente fragmentos H4 con o sin acetilación, así como fragmentos con una, dos o tres acetilaciones. De este modo la Nanotecnología no solo permite establecer el genoma (natura) por movilidad haciendo pasar la cadena de ADN a través de un nanoporo, hecho en grafeno, por acción del campo eléctrico, también permite estudiar modificaciones epigenéticas (nurtura) mediante trampas moleculares de nanoporosas. 

Información complementaria:

Resolving Isomeric Posttranslational Modifications Using a Biological Nanopore as a Sensor of Molecular Shape.

Nanoporos permiten secuenciar COVID-19 en tiempo real.

La secuenciación a través de nanoporos es un método para determinar el orden en el que los nucleótidos se  organizan  en una hebra de ADN/ARN.  Un nanoporo  es  un pequeño agujero del orden de un  nanómetro en su diámetro interno. Los agujeros pueden ser creados por proteínas  que perforan membranas (nanoporos biológicos) o  hacerlos materiales sólidos tales como  silicona y grafeno. ​El método consiste en generar  los nanoporos en un medio conductor, al aplicar  un  voltaje se  puede  observar una corriente  eléctrica producida por la conducción de iones a  través del orificio. Si pasa una base, una hebra entera de ADN u otra molécula por el nanoporo, la magnitud de la corriente varía, lo que permite al pasar una hebra de ADN determinar la secuencia de los nucleóticos.

El ADN puede atravesar un nanoporo por varias razones. Por ejemplo, por medio de la electroforesis el ADN puede ser atraído hacia el nanoporo y eventualmente pasar a través del mismo. Enzimas unidas al nanoporo pueden también guiar el ADN hacia dentro. El tamaño del orificio fuerza a que el ADN que pasa a través de él sea leído base por base. De esta forma, a medida que pasa alguna de las cuatro bases nitrogenadas, la corriente eléctrica varía, permitiendo la lectura de la hebra de ADN. Si bien el método se comenzó a desarrollar desde 1995, es en el artículo Continuous base identification for single-molecule nanopore DNA sequencing, publicado en Nature Nanotechnology (2009), realizado por investigadores de las universidad de Oxford, el que sienta las bases de la empresa Oxford Nanopore; empresa que en la actualidad comercializa un secuenciador portátil “de bolsillo” en tiempo real (MinIon). El secuenciador lo utilizó la  comunidad para la secuenciación rápida (7 horas, incluyendo el tiempo de la PCR) en situaciones de brotes múltiples, incluyendo Zika, Ébola, Fiebre Amarilla, Gripe Porcina y una variedad de otros patógenos. Esta experiencia ha respaldado el rápido despliegue de la secuenciación por nanoporos para el brote actual del COVID-19. En la actualidad alrededor de 30 países están utilizando la secuenciación de nanoporos para COVID-19 y otros 40 países se están preparando para hacerlo. Los datos del genoma viral generados prospectivamente durante los brotes pueden ayudar a proporcionar información sobre la relación con otros virus, el modo y el ritmo de la evolución, la propagación geográfica y la adaptación a los huéspedes humanos. Esta información puede usarse para ayudar en investigaciones epidemiológicas, particularmente cuando se combina con otros tipos de datos (por ejemplo, recuentos de casos). La red ARTIC está poniendo a disposición un conjunto de materiales para ayudar a los grupos a secuenciar el virus, incluido un conjunto de cebadores, protocolos de laboratorio, tutoriales y conjuntos de datos. Estos se centran principalmente en el uso del secuenciador de nanoporos. La nanotecnología abre el camino a secuenciadores económicos, rápidos y portátiles.

Infornación complementaría:
Oxford Nanopore.

Nanopartículas, metagenómica microbiana y salud pública

En el artículo “Metagenomic analysis of microbial communities yields insight into impacts of nanoparticle design” publicado en la revista Nature Nanotechnology(15 de enero 2018) P. J. Vikesland y colaboradores, del Institute for Critical Technology and Applied Science (ICTAS), Virginia Tech, USA, presentan una forma de investigar el efecto de las nanopartículas en un microbioma particular: mirando el ADN de una comunidad microbiana entera en lugar de especies individuales. La estrategia, denominada análisis metagenómico, secuencia el ADN de todos los microbios simultáneamente en una muestra, produciendo una visión general de los genes funcionales en ese entorno. En el  estudio analizaron las comunidades microbianas de lodo activado utilizado en las plantas industriales para descomponer los contaminantes de las aguas residuales. Estas comunidades comprenden una cantidad asombrosa de microorganismos, muchos de los cuales no se pueden cultivar en el laboratorio, e incluso si se pudiera, las complejas interacciones en las comunidades microbianas en el mundo real no pueden reproducirse mediante experimentos con unas pocas especies. Las nanopartículas usadas en la investigación fueron esferas y varillas de oro las cuales se introdujeron en las plantas de tratamiento de las aguas residuales.

Crédito:(ICTAS), Virginia Tech, USA 

Luego han realizado un análisis metagenómico a los 7 días y otro a los 56 días. Resultó que las nanopartículas modificaron la distribución de genes en la comunidad microbiana del lodo activado. Las nanopartículas esféricas tuvieron una mayor influencia que las nanobarras. Entre los genes afectados se han encontrado aquellos que ayudan a las bacterias infecciosas a evadir los antibióticos. Los resultados sugieren que el análisis metagenómico es una herramienta suficientemente sensible como para detectar cambios que otros métodos podrían pasar por alto y por ende para el diseño más seguro de los nanomateriales y de su implicancia en la  salud pública.

Lectura complementaria:

Metagenomic analysis of microbial communities yields insight into impacts of nanoparticle design.

La nanotecnología se apresta a eliminar el cáncer.

En la actualidad, cuando  un paciente desarrolla un tumor agresivo, el cirujano lo opera para extirpar el tumor, pero sigue habiendo algunas células cancerosas escondidas en el cuerpo. Para eliminarlas se le administra quimioterapia debilitando tanto las células del paciente como las cancerígenas. Pero el cáncer normalmente no muere totalmente, vuelve y finalmente mata al paciente luego de hacerle soportar meses de los brutales efectos secundarios de la quimioterapia: pérdida del cabello, náuseas y debilidad extrema. La nanotecnología se prepara para tratar la enfermedad centrando su curación a nivel genético (existen más de 4000 enfermedades originadas en componentes genéticos). Imaginemos ahora que luego de la cirugía se inyecte en la zona afectada namoparticulas de oro acopladas a hebras de ADN capaces de ingresar a las células tumorales destruyéndolas directamente sin tocar a las vecinas sanas. El  ADN por su forma normalmente no sería capaz de entrar en las células las cuales además han desarrollado protección contra el ingreso de segmentos de ADN extraño. Sin embargo, mediante el uso de la nanotecnología, muchos pequeños fragmentos de ADN se pueden unir a nanopartículas evitando el bloqueo y facilitando la incorporación de material genético al núcleo. Desde nanopartículas hasta nanorobots pueden ingresar  material dentro del núcleo de la célula para destruirla o para “editar el genoma” según la revolucionaria tecnica de ingeniería genética CRISPR-Cas9 presentada en el artículo “A programmable dual-RNA-guided DNA endonuclease in adaptive bacterial immunity”, publicado en la revista Science el 17 de agosto del 2012 por un equipo de investigadores dirigidos  por Jennifer Anne Doudna y Emmanuelle Charpentier. El 15 de noviembre una noticia publicada en la revista Nature “CRISPR gene-editing tested in a person for the first time”  nos informa que un grupo de investigadores chinos se convirtió en el primero en inyectar una persona con las células que contienen genes editados utilizando la técnica de CRISPR-Cas9. El 28 de octubre, un equipo de investigación, dirigido por el oncólogo Lu You en la Universidad de Sichuan en Chengdu, introduce células modificadas con el genoma editado en un paciente con cáncer agresivo de pulmón como parte de un ensayo clínico autorizado por el comité de ética del Hospital de Clínicas de la Universidad. El hecho constituye sólo el inicio de un crecimiento exponencial. Estados Unidos se apresta a comenzar en el 2017 sus pruebas clínicas con el sistema CRISPR y un grupo de la Universidad de Pekín espera iniciar el mismo año los ensayos clínicos con el sistema CRISPR-Cas9 en casos de cáncer de la vejiga, de próstata y renal.

Nanodelivery de drogas + nanorobots de diagnóstico y terapia + biopsias líquidas + edición de genomas +  regeneración de tejidos = nanomedicina.

Lectura complemantaria:

CRISPR gene-editing tested in a person for the first time.

Secuenciación nanobiotecnológica ultrarrápida del ADN.

Los doctores G. Steven Huang, Yu-Shiun Chen y colaboradores de la Universidad Chiao Tung Nacional (NCTU) de Taiwán desarrollaron con éxito una técnica más rápida, precisa y económica para  secuenciar ADN. La técnica se presenta en el artículo “DNA sequencing using electrical conductance measurements of a DNA polymerase" publicado  el 5 de mayo en revista Nature Nanotechnology.

Mediante la combinación de un nanotransistor, construido con dos átomos de oro y una molécula de anticuerpo, unido a una ADN polimerasa, se puede acelerar el proceso de secuenciación del ADN con el fin de proporcionar una mejor herramienta para la medicina personalizada y la investigación genética.

Un genoma humano se compone de aproximadamente 3 mil millones de pares de bases de ADN. Incluso con la tecnología actual el proceso de secuenciación del ADN es relativamente lento y costoso. La técnica innovadora desarrollada por el equipo de la NCTU permite superar ambos problemas con una menor la tasa de error. La técnica permite secuenciar  las moléculas individuales de ADN mediante la medición de la conductancia eléctrica de una ADN polimerasa Phi29 mientras incorpora los nucleótidos a la cadena. La conductancia de la polimerasa se puede medir debido a que esta conectada (unida) al  nanotransistor  proteico. Por primera vez se puede seguir y “ver” todo el proceso de síntesis realizado por la polimerasa sin la utilización de equipamiento externo.

Un inteligente paso nanobiotecnológico para avanzar hacia la secuenciación masiva.