27 septiembre, 2011

Mensajes secretos usando bacterias

Imagínate una versión de Misión Imposible donde Ethan Hunt mande un mensaje secreto, al otro lado del mundo, usando unas bacterias genéticamente modificadas. Tal vez lo primero que se te ocurrió fue que el mensaje se insertó en el genoma de la bacteria mediante un pedazo de ADN sintético, el cual porta un mensaje que es descifrado usando el código genético. Pero lo que hicieron un grupo de científicos norteamericanos fue desarrollar distintas cepas de E. coli portando proteínas fluorescentes que se expresan sólo ante la presencia de ciertos componentes químicos en el medio. El trabajo fue publicado en PNAS.

infobio

En principio, lo que hicieron el equipo de investigadores del químico David Walt de la Universidad de Tufts fue usar organismos vivos como portadores de mensajes codificados (InfoBiología). Pero no lo hicieron de la manera tradicional que uno pensaría, en el cual el mensaje se escribiría y almacenaría en el propio genoma del organismo, Walt y sus colaboradores usaron la expresión de siete proteínas fluorescentes [Parte central de la figura de la izquierda] previamente insertadas en la bacteria E. coli y con ellas elaboraron un código basado en la combinación de dos colores sobre una matriz de nitrocelulosa [Figura de la derecha].

La ventaja de esta técnica a la cual bautizaron SPAM (Steganography by Printed Arrays of Microbes. Traducción libre: Estenografía por arreglo impreso de microbios), es que la expresión de las proteínas fluorescentes puede ser controlada de muchas maneras, por ejemplo: según el tipo de bacteria, el tipo de vector usado, el medio de cultivo, el promotor, la longitud de onda de la luz, etc., lo que permite obtener una amplia variedad de formas de codificar el mensaje —si no usas los factores correctos no podrás leer el mensaje original porque la combinación de colores no será la adecuada. Además, no se necesita de equipos especiales para leer el mensaje, las colonias de microbios son fácilmente observables.

Para probar su técnica, el químico Manuel Palacios, líder del proyecto, insertó cada una las siete proteínas fluorescentes en dos cepas diferentes de E. coli. Una de las cepas expresaría las proteínas fluorescentes sólo en presencia de una sustancia química conocida como IPTG, mientras que la otra no lo necesitaría. Luego, las bacterias fueron cultivadas ordenadamente en un medio rectangular e “impresas” en una membrana de nitrocelulosa para ser enviada al destinatario. Finalmente, el receptor tomaría la membrana y lo imprimiría en un medio de cultivo adecuado, con los factores que permitan inducir la expresión de la fluorescencia determinada.

spamLas bacterias son cultivadas en placas de dilución en un medio líquido (caldo de cultivo) y con un replicador se imprime 0.1ul de cada una en un medio sólido (agar). Una vez que las colonias crezcan son transferidas en una membrana de nitrocelulosa, el mensaje quedará impreso en ella. Esta lámina se envía al destinatario quien hará el proceso inverso, imprimiendo la membrana en otro medio de cultivo sólido enriquecido con los factores adecuados para la expresión de las proteínas fluorescentes.

Como se usa un código basado en la combinación de dos colores, en total se obtendrá sistema alfanumérico de 49 caracteres (72 = 49). Los investigadores usaron 144 colonias para elaborar un mensaje de 70 caracteres: “this is a bioencoded message from the walt lab at tufts university 2011.” [Figura inicial].

Si el mensaje se requiere con urgencia, se usa la cepa que necesita el IPTG como inductor. Al añadir esta sustancia, los genes que codifican para las proteínas fluorescentes se sobreexpresarán inmediatamente y en 8 horas el mensaje será completamente claro. Por otro lado, si se quiere un mensaje retardado se usa la cepa que no requiere de IPTG. Esta cepa expresará las proteínas fluorescentes a medida que aumenta su concentración en la colonia, o sea, cuanto más bacterias hayan, para eso dependen de la velocidad de división dela bacteria y el mensaje tardará unas 48 horas en apreciarse claramente.

Sin embargo, las bacterias pueden mutar fácilmente, lo que puede generar un cambio en el mensaje después de un tiempo prolongado. Esto sería lo mismo que decir “este mensaje de autodestruirá en 5 segundos varias semanas”. Bueno, no ayudaría mucho al secreto de las misiones de Ethan Hunt.

Pero, la eficiencia de la técnica para codificar mensajes secretos se puede mejorar con el uso de genes de resistencia a diferentes antibióticos. Por ejemplo, Palacios et al. demostraron esto usando bacterias con los genes que codifican las proteínas fluorescentes acoplados al gen de resistencia a la kanamicina o ampicilina. Cada antibiótico seleccionaba una bacteria portando una proteína fluorescente diferente, así que el uso de uno u otro antibiótico generaba dos mensajes diferentes.

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Tal vez por ahora la técnica no sea muy práctica, pero el principio funciona correctamente. Una forma de mejorar esto sería reduciendo el tamaño de las colonias, tal vez confinándolas a chips de microarreglos y usando más antibióticos, y así aumentar la densidad de información, pero esto requeriría el uso de equipos sofisticados o microscopios para poder observar la fluorescencia.


Referencia:

ResearchBlogging.orgPalacios, M., Benito-Pena, E., Manesse, M., Mazzeo, A., LaFratta, C., Whitesides, G., & Walt, D. (2011). InfoBiology by printed arrays of microorganism colonies for timed and on-demand release of messages Proceedings of the National Academy of Sciences DOI: 10.1073/pnas.1109554108

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