Registro de extensión de vida útil establecido en células de levadura utilizando un oscilador genético sintético

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Un equipo de científicos de la Universidad de California en San Diego (UCSD) ha reconectado genéticamente el circuito que controla el envejecimiento celular en la levadura. A partir de su función normal de funcionamiento como un interruptor de palanca, diseñaron un circuito de retroalimentación negativa para detener el proceso de envejecimiento celular. El circuito recableado funciona como un dispositivo similar a un reloj, llamado oscilador genético, que impulsa a la célula a cambiar periódicamente entre dos estados de "envejecimiento" perjudiciales, evitando el compromiso prolongado con cualquiera de ellos y, por lo tanto, retardando la degeneración de la célula. Su enfoque amplió drásticamente la vida útil de las células, estableciendo un nuevo récord de extensión de la vida mediante intervenciones genéticas y químicas.

Los hallazgos representan un ejemplo de prueba de concepto del uso de la biología sintética para reprogramar el proceso de envejecimiento celular. Dado que las vías subyacentes del envejecimiento se conservan, los hallazgos podrían algún día permitir el diseño de circuitos genéticos sintéticos que promuevan la longevidad en organismos más complejos.

"Esta es la primera vez que se utilizaron principios de ingeniería y biología sintética guiados computacionalmente para rediseñar racionalmente circuitos genéticos y reprogramar el proceso de envejecimiento para promover eficazmente la longevidad", dijo Nan Hao, PhD, del Departamento de Biología Molecular de la Facultad de Ciencias Biológicas, y codirector del Instituto de Biología Sintética de UC San Diego.

Hao es el autor principal del estudio publicado por el grupo en Science, titulado "Ingeniería de la longevidad: diseño de un oscilador genético sintético para retardar el envejecimiento celular", en el que concluyeron: "Nuestros resultados establecen una conexión entre la arquitectura de la red genética y la longevidad celular que podría conducir a Circuitos genéticos diseñados racionalmente que retardan el envejecimiento”.

La esperanza de vida humana está relacionada con el envejecimiento de nuestras células individuales, y el envejecimiento celular es un proceso biológico fundamental y complejo y es un factor subyacente de muchas enfermedades. Las células, incluidas las de levaduras, plantas, animales y seres humanos, contienen circuitos reguladores de genes que son responsables de muchas funciones fisiológicas, incluido el envejecimiento. "Estos circuitos genéticos pueden funcionar como los circuitos eléctricos de nuestro hogar que controlan dispositivos como electrodomésticos y automóviles", dijo Hao.

Sin embargo, el grupo de la Universidad de California en San Diego había descubierto previamente que, bajo el control de un circuito regulador genético central, las células no envejecen necesariamente de la misma manera. Hace varios años, el equipo de investigación comenzó a estudiar los mecanismos detrás del envejecimiento celular. Utilizando la levadura Saccharomyces cerevisiae como modelo para el envejecimiento de las células humanas, descubrieron que las células siguen una cascada de cambios moleculares a lo largo de toda su vida hasta que finalmente se degeneran y mueren. Pero los científicos notaron que células del mismo material genético y dentro del mismo ambiente pueden viajar a lo largo de distintas rutas de envejecimiento. Aproximadamente la mitad de las células envejecen debido a una disminución gradual de la estabilidad del ADN, donde se almacena la información genética. La otra mitad envejece siguiendo un camino ligado al declive de las mitocondrias, las unidades de producción de energía de las células.

Después de identificar dos direcciones distintas que siguen las células durante el envejecimiento, los investigadores manipularon genéticamente estos procesos para extender la vida útil de las células. Para su trabajo recientemente informado, el equipo amplió su investigación utilizando biología sintética para diseñar un oscilador genético sintético que evita que las células alcancen sus niveles normales de deterioro asociados con el envejecimiento.

Imagine un automóvil que envejece cuando el motor se deteriora o cuando la transmisión se desgasta, pero no ambas cosas al mismo tiempo. El equipo de UC San Diego imaginó un "proceso de envejecimiento inteligente" que extiende la longevidad celular al hacer circular el deterioro de un mecanismo de envejecimiento a otro.

Como suelen hacer los ingenieros eléctricos, los investigadores primero utilizaron simulaciones por computadora de cómo funciona el circuito de envejecimiento central. Esto les ayudó a diseñar y probar ideas antes de construir o modificar el circuito de la celda. Este enfoque tiene ventajas al ahorrar tiempo y recursos para identificar estrategias efectivas de prolongevidad, en comparación con estrategias genéticas más tradicionales.

Para su investigación y pruebas utilizando células de levadura Saccharomyces cerevisiae, el equipo desarrolló y empleó microfluidos y microscopía de lapso de tiempo para rastrear los procesos de envejecimiento a lo largo de la vida útil de la célula. Para controlar el envejecimiento en las células de levadura, el equipo manipuló la expresión de dos reguladores transcripcionales conservados: el regulador de información silencioso 2 (Sir2), que impulsa el deterioro nucleolar, y la proteína activadora del hemo 4 (Hap4), que está asociada con la biogénesis mitocondrial.

La expresión de Sir2 y Hap4 están vinculadas en el sentido de que la expresión de uno reprime a la otra. El resultado es un interruptor transcripcional de origen natural y ampliamente conservado que impulsa las decisiones sobre el destino celular. El trabajo recientemente informado por los autores describe cómo diseñaron un oscilador genético sintético dentro de células de levadura que reconecta este interruptor transcripcional para generar oscilaciones sostenidas entre los dos estados de degeneración celular en células individuales. Al crear un circuito de retroalimentación negativa en el circuito Sir2-HAP, el oscilador sintético retrasa el compromiso de la levadura con uno de los dos estados de deterioro celular. "Estas oscilaciones aumentaron la vida celular a través del retraso del compromiso con el envejecimiento que resultó de la pérdida del silenciamiento de la cromatina o del agotamiento del hemo".

Descubrieron que las células que contenían el oscilador del gen sintético vivían considerablemente más que las células de tipo salvaje, mostrando un aumento del 82% en su esperanza de vida. "Esta es la extensión de vida más pronunciada en la levadura que hemos observado con perturbaciones genéticas", señaló el equipo.

Durante el proceso de ingeniería de circuitos, los investigadores también construyeron y caracterizaron versiones del circuito sintético con interacciones de retroalimentación rotas o debilitadas. "Ninguno de estos circuitos permitió oscilaciones sostenidas en una fracción importante de células, lo que demostró la importancia de la conectividad y la fuerza de las interacciones de retroalimentación en la generación de oscilaciones", señalaron.

El nuevo logro de la biología sintética tiene el potencial de reconfigurar los enfoques científicos sobre el retraso de la edad. A diferencia de numerosos intentos químicos y genéticos de forzar a las células a entrar en estados artificiales de "juventud", la nueva investigación proporciona evidencia de que es posible ralentizar el ritmo del envejecimiento impidiendo activamente que las células se comprometan con un camino predestinado de deterioro y muerte. y los osciladores genéticos en forma de reloj podrían ser un sistema universal para lograrlo.

"Esta es la primera vez que se utilizaron principios de ingeniería y biología sintética guiados computacionalmente para rediseñar racionalmente circuitos genéticos y reprogramar el proceso de envejecimiento para promover eficazmente la longevidad", dijo Hao. "Nuestras células osciladoras viven más que cualquiera de las cepas más longevas identificadas previamente mediante análisis genéticos imparciales".

Los investigadores agregaron: "Nuestros resultados establecen una conexión entre la arquitectura de la red genética y la longevidad celular que podría conducir a circuitos genéticos diseñados racionalmente que retarden el envejecimiento... Nuestro trabajo representa un ejemplo de prueba de concepto, que demuestra la aplicación exitosa de la biología sintética para reprogramar el proceso de envejecimiento celular y puede sentar las bases para diseñar circuitos de genes sintéticos para promover eficazmente la longevidad en organismos más complejos”.

Actualmente, el equipo está ampliando su investigación al envejecimiento de diversos tipos de células humanas, incluidas células madre y neuronas.

En una perspectiva relacionada, Howard Salis, PhD, de la Universidad Estatal de Pensilvania, analiza el estudio con mayor detalle. Señaló que, como señalaron Hao et al, un camino para comprender y controlar el envejecimiento celular es medir la dinámica de las vías que controlan el mantenimiento y el envejecimiento celular, desarrollar modelos que abarquen todo el sistema y aplicar análisis matemáticos para identificar lo que él llama "el proceso sintonizable". perillas y cables intercambiables” que pueden manipularse para redirigir la dinámica natural de una célula lejos del envejecimiento y hacia el mantenimiento de estados celulares saludables. "Al combinar modelos de todo el sistema con sistemas genéticos diseñados, se podrían desarrollar terapias candidatas, por ejemplo, un inhibidor de molécula pequeña que aleje la dinámica celular de los estados disfuncionales o una estrategia combinada que elimine las células senescentes y las reemplace con células mejoradas a través de ex Terapia vivo”. Y reflexionando sobre cómo los resultados pueden contribuir al desarrollo de terapias humanas, Salis escribió: "Si el objetivo colectivo de estas intervenciones es mantener estados celulares más saludables, entonces se reducirá el riesgo y la morbilidad de las enfermedades asociadas a la edad".