Un nou estudi de la North Carolina State University ho demostra els gens són capaços d’identificar i respondre a la informació codificada en senyals lluminosos, així com filtrar completament alguns senyals. La investigació mostra com un mateix mecanisme pot provocar diferents comportaments del mateix gen, i pot trobar aplicacions en el sector de la biotecnologia.
"La idea fonamental és aquesta és possible codificar informació en la dinàmica del senyal que rep el gen"Afirma Albert Keung, coautor del document i professor assistent d'enginyeria química i biomolecular a NC State." Per tant, en lloc de ser-hi present o no, l'important és com es presenta ".
Per a aquest estudi els científics van modificar una cèl·lula de llevat per contenir un gen que produeix proteïnes fluorescents quan la cèl·lula està exposada a la llum blava.
Així funciona. Una regió d’un gen anomenada promotor s’encarrega de controlar l’activitat gènica. En cèl·lules de llevat modificades, una proteïna específica s’uneix a la regió promotora del gen. Quan els investigadors il·luminen aquesta proteïna amb llum blava, es torna susceptible a una segona proteïna. Quan la segona proteïna s’uneix a la primera, el gen s’activa. I això és fàcil de detectar perquè el gen activat produeix proteïnes que brillen a la foscor.
Després, investigadors va exposar aquestes cèl·lules de llevat a 119 patrons de llum diferents … Cada patró de llum diferia en intensitat de llum, durada de cada pols de llum i freqüència de pols. Els investigadors van quantificar la quantitat de proteïna fluorescent produïda per les cèl·lules en resposta a cada patró de llum.
Les dades obtingudes ho indiquen els gens s’activen o s’apaguenperò és menys com un interruptor de llum i més com un interruptor alternatiu - el gen es pot activar una mica, molt o en algun lloc intermedi. Si un patró de llum donat va produir una gran quantitat de proteïna fluorescent, significa que aquest patró de llum va fer que el gen fos molt actiu. Si el patró de llum produïa una petita quantitat de proteïna fluorescent, significava que el patró només causava una feble activitat gènica.
"Hem descobert que diferents patrons de llum poden produir resultats molt diferents en termes d'activitat gènica", diu Jessica Lee, primera autora de l'article i recent graduada en doctorat de l'estat de NC. "La gran sorpresa per a nosaltres va ser que la sortida no estava directament relacionada amb l'entrada. Esperàvem que, com més fort fos el senyal, més actiu seria el gen. Però no necessàriament era així. Un patró lleuger podria fer que un gen significativament més actiu que un altre. fins i tot si tots dos patrons exposaven el gen a la mateixa quantitat de llum ".
Els investigadors van trobar que les tres variables del patró de llum (intensitat de llum, freqüència del pols de llum i la durada de cada pols) podrien influir en l’activitat dels gens, però van trobar que El control de la freqüència dels polsos de llum els proporciona el control més precís sobre l’activitat gènica.
"També hem utilitzat les nostres dades experimentals per desenvolupar un model computacional que ens ha ajudat a entendre millor per què els diferents circuits causen diferents nivells d'activitat gènica", diu Leandra Caywood, coautora del treball i estudiant de postgrau a NC State.
"Per exemple, vam trobar que quan els polsos de llum ràpids estan molt a prop l'un de l'altre, obtenim una activitat gènica més elevada de la que s'esperava de la quantitat de llum subministrada", diu Keywood. "Utilitzant el model, vam poder determinar que això es deu al fet que les proteïnes no es poden dissociar i agrupar prou ràpidament com per respondre a cada impuls. De fet, les proteïnes no tenen temps de separar-se completament entre si entre impulsos, de manera que passen més temps en connexió: això significa que el gen passa més temps en estat activat. Comprendre aquest tipus de dinàmiques és molt útil per ajudar-nos a comprendre com controlar millor l'activitat gènica a través d'aquests senyals ".
"La nostra troballa és rellevant per a les cèl·lules sensibles a la llum, com les que es troben a les fulles", diu Keung. "Però també ens ho explica els gens responen a senyals que poden ser emesos no només per la llum, sinó també per altres mecanismes".
Un comentari: si l’ADN és una mena d’antena, potser es pot fer que la gran majoria de les cèl·lules responguin a determinats senyals
Penseu en això controlar la presència i l'absència d'aquesta proteïna és la transmissió d'un missatge del codi Morse de cèl·lula a gen. Depenent de moltes altres variables, com la presència d'altres productes químics, la cèl·lula pot afinar el missatge que envia al gen per modular la seva activitat.
"Això ens diu això es pot utilitzar la mateixa proteïna per transmetre missatges diferents al mateix genKeung diu: "Així, una cèl·lula pot utilitzar una proteïna per fer que un gen respongui de manera diferent a diferents productes químics".
En una sèrie d’experiments separats, els investigadors van trobar que els gens també són capaços de filtrar determinats senyals. La mecànica d’aquest fenomen és alhora senzilla i misteriós … Els investigadors van poder determinar que quan una segona proteïna s’uneix a la regió promotora d’un gen, certes freqüències dels polsos de llum no desencadenen la producció de proteïnes fluorescents. En resum, els investigadors saben que la segona proteïna garanteix que el gen només respon a un conjunt específic de senyals, però els investigadors no saben exactament com ho fa la segona proteïna.
Els investigadors també van trobar que ells pot controlar el nombre de senyals diferents a què pot respondre un genmitjançant la manipulació del nombre i tipus de proteïnes units a la regió promotora del gen.
Per exemple, les proteïnes es poden unir a la regió promotora que serveixen de filtres que limiten el nombre de senyals que activen un gen. O bé, es poden unir proteïnes a la regió promotora que causen diferents graus d'activació gènica.
"Una contribució addicional d'aquest treball és que ho hem determinat podem transferir uns 1,71 bits d’informació a través de la regió promotora del gen amb només una proteïna", diu Lee. En termes pràctics, això significa això el gen, sense una xarxa complexa d’adjunts de proteïnes, és capaç de distingir amb més precisió més de 3 senyals". En treballs anteriors, aquesta línia de base es va establir en 1,55 bits, de manera que aquest estudi amplia la nostra comprensió del que és possible aquí. Aquesta és la base sobre la qual podem construir".
Els investigadors diuen que aquest treball permet realitzar futures investigacions que permetran avançar en la nostra comprensió de la dinàmica del comportament cel·lular i l’expressió gènica.
A curt termini, segons els investigadors, el treball pot trobar aplicació pràctica en farmacèutics i biotecnològica sectors.
"En bioproducció, sovint cal controlar tant el creixement de les cèl·lules com la velocitat amb què aquestes cèl·lules fabriquen certes proteïnes", diu Lee."El nostre treball pot ajudar els fabricants a afinar i controlar ambdues variables".
Aquest treball va rebre el suport de la National Science Foundation amb la subvenció 1830910 "New Frontiers in Research and Innovation" i els Instituts nacionals de salut amb la subvenció 5T32GM133366.
