ARN en un chip
Desde que los biochips, como los microarrays de ADN, aparecieron en escena en 1996, los investigadores se han apresurado a aumentar su capacidad de diagnóstico. Ahora, un equipo de investigación de la Universidad de Yale dirigido por el profesor de biología Ronald Breaker ha producido un prototipo de microarreglo basado en ARN que promete poner un poderoso laboratorio de diagnóstico en un chip del tamaño de una moneda de diez centavos.
Durante años, Breaker ha estado jugando con la teoría de que el ARN, no el ADN, era el componente fundamental de la vida hace 3.500 millones de años. A diferencia del ADN, la biblioteca que contiene nuestro código genético, el ARN es dinámico, ejecuta las instrucciones en el almacén del ADN y organiza la síntesis de proteínas.
En 1995, Breaker y su equipo comenzaron a resucitar este mundo de ARN extinto en un tubo de ensayo y diseñaron con éxito interruptores moleculares basados en ARN en el esfuerzo. (Un interruptor molecular es una molécula que otra molécula o compuesto enciende o apaga).
Matriz de ARN
Con docenas de estos interruptores a mano, pensó Breaker, ¿por qué no colocarlos en una superficie y crear una serie de biosensores que usan ARN para medir o detectar compuestos? Al diseñar los interruptores de ARN para detectar muchos tipos diferentes de compuestos, Breaker sabía que el potencial de su matriz podía superar al de un chip de ADN, que identifica secuencias específicas de ADN o ARN y nada más.
Para crear el prototipo, Breaker colocó los interruptores de ARN en una superficie de silicio recubierta de oro y los dispuso en grupos. Cada interruptor fue diseñado para unirse solo a una molécula específica, su objetivo, y luego para liberar una señal que identifica la molécula objetivo. (En el prototipo, los interruptores emitieron una señal radiactiva).
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Como se informó en abril de Biotecnología de la naturaleza Breaker y su equipo probaron la matriz de interruptores de ARN en una variedad de mezclas complejas. En un experimento, identificaron con éxito diferentes cepas de E. coli encontrado en cultivos bacterianos.
Las implicaciones son atractivas. La capacidad de la matriz para identificar simultáneamente una cantidad potencialmente grande de compuestos, combinada con la exclusividad precisa de cada interruptor, se suma a la receta de un laboratorio poderoso y de amplio alcance en una rebanada de silicio del tamaño de una moneda de diez centavos.
Superchip de ARN
La invención de Breaker abre el camino para futuros chips de ARN capaces de revelar la composición molecular de mezclas complejas, como suero sanguíneo y desechos industriales, de manera mucho más completa que los biochips actuales.
Las versiones avanzadas de nuestro biochip de ARN podrían usarse para muchos objetivos diferentes como medicamentos, toxinas y metabolitos, así como proteínas y ácidos nucleicos, dice Breaker. Deberían poder detectar casi cualquier cosa a la que se pueda hacer que el ARN se una.
Además, el éxito preliminar del trabajo de Breaker marca el comienzo de una nueva era de lo que podría denominarse 'matrices activas', declara Gerald Joyce, biólogo molecular del Instituto de Investigación Scripps en La Jolla, CA. De hecho, debería ser posible diseñar interruptores de ARN para hacer cosas mucho más extraordinarias que la identificación de objetivos, dice Breaker. La regulación de la expresión génica es un ejemplo.
Otro beneficio de los interruptores de ARN es su capacidad para resistir el entorno a veces impredecible y hostil fuera del laboratorio. Breaker los compara con un biochip de proteínas y dice que este último, si se calienta accidentalmente, se fríe como un huevo. Las proteínas se despliegan y nunca se pueden volver a unir las estructuras complejas, dice.
Los interruptores de ARN del disyuntor se han diseñado para volver a plegarse a su forma original después de calentarlos. Este carácter de retroceso le dará a los biochips de ARN una ventaja considerable para su uso en entornos de prueba más exóticos, afirma Breaker.
Llegando desde aquí
El siguiente paso para los interruptores de ARN es bastante claro, dice Joyce. Deben estar diseñados para emitir una señal fluorescente, en lugar de radiactiva. Esta mejora permitiría a los laboratorios hacer uso de equipos ya existentes y evitar la burocracia regulatoria, lo que permitiría el desarrollo rápido de un chip de ARN que contenga hasta 1000 conmutadores. Y ese es el objetivo de las matrices de biosensores: el análisis paralelo masivo en la superficie más pequeña posible.
Breaker dice que su objetivo es poner la capacidad de mil científicos en un chip del tamaño de una moneda de diez centavos mientras genera las respuestas que desea mil veces más rápido. Además de la investigación biomédica, ve muchos usos para un chip de ARN en diversos campos como la ingeniería química, la ciencia ambiental e incluso la defensa de guerra biológica y química.
Sin embargo, todavía existen algunos obstáculos, particularmente con los costos de fabricación, la estabilidad química de los interruptores y algunos de los puntos más finos del reconocimiento molecular.
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Esta tecnología es tan nueva que no está claro cuántos compuestos diferentes será posible reconocer, dice Andrew Ellington, bioquímico de la Universidad de Texas. Por ejemplo, no hay ejemplos publicados de reconocimiento de proteínas. Además, el ARN es vulnerable a ciertos productos químicos que a menudo se encuentran en situaciones de prueba que pueden desintegrar un interruptor.
El equipo de Breaker está trabajando en soluciones para algunos de estos inconvenientes, como eliminar cualquier compuesto que destruya el ARN de las muestras de prueba. También están trabajando para diseñar ADN para que pueda llevar a cabo ciertas funciones similares a las del ARN.
Eso podría hacer que esos miles de científicos en un chip sean aún más inteligentes.
