p Por meio de alguns hacks moleculares inteligentes, pesquisadores do Columbia University Medical Center converteram um sistema imunológico bacteriano natural em um gravador de dados microscópicos, lançando as bases para uma nova classe de tecnologias que usam células bacterianas para tudo, desde o diagnóstico de doenças ao monitoramento ambiental. p Os pesquisadores modificaram uma cepa de laboratório comum do onipresente micróbio do intestino humano Escherichia coli , permitindo que as bactérias não apenas registrem suas interações com o meio ambiente, mas também registrem a data e hora dos eventos.

p "Essas bactérias, engolido por um paciente, pode ser capaz de registrar as mudanças que experimentam em todo o trato digestivo, produzindo uma visão sem precedentes de fenômenos anteriormente inacessíveis, "diz Harris Wang, professor assistente no Departamento de Patologia e Biologia Celular e Biologia de Sistemas da CUMC e autor sênior do novo trabalho, descrito na edição de hoje da Ciência . Outras aplicações podem incluir sensoriamento ambiental e estudos básicos em ecologia e microbiologia, onde as bactérias poderiam monitorar mudanças de outra forma invisíveis sem perturbar seus arredores.

p Wang e membros de seu laboratório criaram o gravador de dados microscópicos aproveitando o CRISPR-Cas, um sistema imunológico em muitas espécies de bactérias. O CRISPR-Cas copia fragmentos de DNA de vírus invasores para que as gerações subsequentes de bactérias possam repelir esses patógenos de forma mais eficaz. Como resultado, o locus CRISPR do genoma bacteriano acumula um registro cronológico dos vírus bacterianos aos quais ele e seus ancestrais sobreviveram. Quando esses mesmos vírus tentam infectar novamente, o sistema CRISPR-Cas pode reconhecê-los e eliminá-los.

p "O sistema CRISPR-Cas é um dispositivo de memória biológica natural, "diz Wang." De uma perspectiva de engenharia, isso é realmente muito bom, porque já é um sistema que foi aprimorado durante a evolução para ser realmente ótimo no armazenamento de informações. "

p CRISPR-Cas normalmente usa suas sequências registradas para detectar e cortar o DNA de fagos de entrada. A especificidade desta atividade de corte de DNA fez do CRISPR-Cas o queridinho dos pesquisadores de terapia genética, que o modificaram para fazer mudanças precisas nos genomas de células cultivadas, animais de laboratório, e até mesmo humanos. De fato, mais de uma dúzia de ensaios clínicos estão em andamento para tratar várias doenças por meio da terapia genética CRISPR-Cas.

p Mas Ravi Sheth, um estudante de pós-graduação no laboratório de Wang, viu potencial não realizado na função de gravação do CRISPR-Cas. "Quando você pensa em gravar sinais que mudam temporariamente com eletrônicos, ou uma gravação de áudio ... é uma tecnologia muito poderosa, mas estávamos pensando em como você pode escalar isso para as próprias células vivas? ", diz Sheth.

p Para construir seu gravador microscópico, Sheth e outros membros do laboratório Wang modificaram um pedaço de DNA chamado plasmídeo, dando-lhe a capacidade de criar mais cópias de si mesmo na célula bacteriana em resposta a um sinal externo. Um plasmídeo de gravação separado, que dirige o gravador e marca o tempo, expressa componentes do sistema CRISPR-Cas. Na ausência de um sinal externo, apenas o plasmídeo de registro está ativo, e a célula adiciona cópias de uma sequência espaçadora ao locus CRISPR em seu genoma. Quando um sinal externo é detectado pela célula, o outro plasmídeo também é ativado, levando à inserção de suas sequências. O resultado é uma mistura de sequências de fundo que registram o tempo e as sequências de sinal que mudam dependendo do ambiente da célula. Os pesquisadores podem então examinar o locus CRISPR bacteriano e usar ferramentas computacionais para ler a gravação e seu tempo.

p O documento atual prova que o sistema pode lidar com pelo menos três sinais simultâneos e registrar por dias.

p "Agora estamos planejando olhar para vários marcadores que podem ser alterados sob mudanças nos estados naturais ou de doença, no sistema gastrointestinal ou em outro lugar, "diz o Dr. Wang.

p Biólogos sintéticos já usaram CRISPR para armazenar poemas, livros, e imagens no DNA, mas esta é a primeira vez que o CRISPR é usado para registrar a atividade celular e o tempo desses eventos.

p o Ciência o papel é intitulado, "Gravação multiplex de eventos celulares ao longo de 1 vez em uma fita biológica CRISPR."