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RNA-protein Nanostructures for Synthetic Biology

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La técnica de «origami» ofrece nuevas herramientas para la biología sintética

La aplicación del arte japonés del plegado de papel a cadenas de ARN ha permitido a los investigadores de la Unión Europea (UE) «programar» células. Esto podría dar lugar a avances significativos en la biología sintética y la medicina.

Investigación fundamental

La biología sintética, que implica modificar organismos existentes mediante la aplicación de tecnologías de la información y técnicas de ingeniería, está abriendo enormes oportunidades en biotecnología industrial y medicina. Aunque aún están dando sus primeros pasos, los investigadores pueden programar células para que funcionen como «fábricas» y produzcan los medicamentos o biocombustibles deseados, y están buscando programar células para detectar y destruir tumores. «Sin embargo, uno de los obstáculos es que los elementos genéticos no siempre son tan modulares como uno desearía que fueran», explica Ebbe Sloth Andersen, coordinador del proyecto RNA ORIGAMI, profesor adjunto en la Universidad de Aarhus, Dinamarca. «Los sistemas biológicos son muy complejos. Quitar elementos genéticos de su contexto no siempre funciona».

Partir de cero

Andersen cree que una solución a este desafío podría ser rediseñar los elementos genéticos desde el principio. Y una tecnología facilitadora clave en esta labor podría ser algo denominado «origami de ARN». «El método de origami de ARN está inspirado en el arte japonés de plegar papel», explica Andersen. «En lugar de plegar papel, plegamos una sola cadena de ARN. Este método nos permite codificar genéticamente las nanoestructuras del ARN y expresarlas en las células». Andersen es un pionero de esta técnica. Inspirado por su colaboración con Paul Rothemund, un pionero de la técnica de origami de ADN, en el Instituto de Tecnología de California, se dedicó a aplicarla a las moléculas de ARN en su propio laboratorio. Su éxito lo condujo al proyecto RNA ORIGAMI financiado por el Consejo Europeo de Investigación. En este proyecto, Andersen se propuso aplicar su investigación fundamental a las aplicaciones de la biología sintética en el mundo real. Esto implicó el desarrollo de herramientas de diseño asistido por ordenador para facilitar la creación de nanoestructuras de ARN. «El proyecto requería experiencia en varias áreas de investigación», señala Andersen. «Así que el punto de partida fue contratar investigadores con experiencia en bioinformática, técnicas de caracterización biofísica, bioquímica del ARN y biología sintética. Trabajando juntos, desarrollamos una línea coherente desde el diseño por ordenador hasta la síntesis y caracterización, pasando por las aplicaciones en biología sintética».

Fármacos basados en el ARN

El equipo logró desarrollar herramientas de «software» capaces de diseñar estructuras de origami de ARN de mayor tamaño y complejidad. Este «software» es de código abierto y está disponible para la comunidad investigadora. «Esperamos que eso inspire a los investigadores a utilizar esta tecnología», afirma Andersen. «Este proyecto me permitió alcanzar mis objetivos de hacer que esta tecnología de ARN sea más madura, impulsar el «software» y establecer nuevas direcciones para la nanotecnología de ARN». Los resultados han destacado el potencial de utilizar moléculas de ARN diseñadas de forma racional como herramientas para la biología sintética. Una de las principales fortalezas de las estructuras de origami de ARN, explica Andersen, es que pueden utilizarse como andamios para unir y organizar los componentes moleculares de la célula. Por ejemplo, se desarrollaron sensores codificados genéticamente que informan sobre las concentraciones de metabolitos en las células. Se colocaron andamios de origami de ARN dentro de las células, para controlar las vías metabólicas. Andersen considera la medicina como un área clave para un mayor aprovechamiento. Y añade: «La aparición de vacunas basadas en ARN durante la pandemia de COVID-19 ha puesto a la medicina del ARN en el centro de atención. Esta tecnología tiene un potencial enorme. Por ejemplo, podemos expresar ARN en las células para manipular sus propiedades, o utilizar el ARN como partículas a fin de administrarlas al cuerpo como medicamento». Andersen también está interesado en hacer un seguimiento en lo que respecta a la parte teórica, para mejorar aún más la tecnología y hacerla más funcional. «Mi interés principal sigue siendo tratar de comprender fundamentalmente el plegamiento del ARN e impulsar la tecnología de origami de ARN, para ver qué podemos hacer», comenta.

Palabras clave

RNA ORIGAMI, ARN, biológico, células, biotecnología, medicina, nanoestructuras, sintético

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