Los mensajes ocultos en el ADN podrían reducir los riesgos de bioseguridad

SLas secuencias sintéticas de ácidos nucleicos son un elemento básico en la biología moderna hoy en día. Ya sean terapias celulares y genéticas, biocombustibles o alimentos como la Impossible Burger, los productos que utilizan ADN sintético están en todas partes. En las últimas dos décadas, la síntesis de ADN se ha vuelto más rápida y sencilla, pero a los investigadores les preocupa que esto facilite a las personas el acceso a productos potencialmente peligrosos. Si bien muchos expertos piden más orientación y regulación federal sobre la producción de secuencias de ácidos nucleicos sintéticos, otros se han centrado en preocupaciones de bioseguridad que están un poco más cerca de casa: en los laboratorios de investigación. Jean Peccoudbiólogo sintético de la Universidad Estatal de Colorado, y Casey Tyler Berezinbiólogo molecular del equipo de Peccoud, analizó el mayor problema de bioseguridad que enfrenta la investigación, los enfoques para cifrar mensajes en secuencias de ADN y la importancia de las tecnologías de secuenciación para mitigar los riesgos de bioseguridad.

¿Cómo se define la bioseguridad en el contexto del ADN?

Peccoud: Una búsqueda en Internet sobre bioseguridad arrojará historias sobre medidas de seguridad destinadas a evitar la entrada de plagas o agentes infecciosos al país. Sin embargo, lo que la síntesis de genes ha hecho en términos de transformar la bioseguridad es que ahora se puede tener un agente infeccioso entrando a través de la red informática. Lo que quiero decir con esto es que los países pueden construir muros en sus fronteras, llenar los aeropuertos con perros e introducir más controles a los pasajeros, pero un agente infeccioso puede provenir de una base de datos y luego ser secuenciado. Sin embargo, el tema ha evolucionado significativamente; En lugar de centrarse únicamente en si alguien puede utilizar una impresora de ADN de mesa para crear el Ébola en el laboratorio, es mucho más interesante ampliar el alcance de los riesgos a los que estamos expuestos. Algunos de los problemas a los que la gente está empezando a prestar atención con respecto a la bioseguridad de la síntesis de genes son demasiado limitados. Las empresas de ciencias biológicas necesitan desarrollar una mayor conciencia de lo que realmente están haciendo: ¿Cómo sabemos que lo que tenemos en nuestros laboratorios es lo que creemos que es? La comunidad realmente se beneficiaría de una mayor conciencia de seguridad.

Por ejemplo, cada muestra de investigación, como un tubo con un plásmido de ADN, tiene dos facetas: un registro informático que contiene información sobre la secuencia o proporciona un mapa del plásmido y luego está el contenido del tubo. Cuando los dos no coinciden, surgen todo tipo de problemas potenciales. Puede que esto no sea un problema de bioseguridad en el sentido habitual porque no se trata de agentes infecciosos, pero la gente está gastando millones de dólares en investigaciones que no pueden reproducir porque no saben lo que tienen en sus matraces. Es un problema de seguridad que surge del hecho de que lo que estás trabajando no es lo que crees que es. Eso es algo que sucede en todos los laboratorios, todos los días, y tenemos muy pocas herramientas para descubrir qué sucede en nuestro propio laboratorio.

¿Cómo te interesaste en estudiar bioseguridad en el laboratorio?

Berezín: Cuando se trata de bioseguridad con respecto a las secuencias de ADN sintético, la responsabilidad realmente recae en las compañías de síntesis de genes que crean las secuencias, pero estos esfuerzos de seguridad tienen un alcance limitado y no pueden proteger contra otros eventos que pueden surgir más adelante. la vida del producto, ya sea la manipulación intencional de una secuencia o mutaciones de plásmidos que ocurren naturalmente con el tiempo. La bioseguridad no es algo que formó parte de mi formación de doctorado, ni algo que surgió en ninguno de los laboratorios en los que trabajé. Esa es realmente una oportunidad perdida para educar a la gente sobre estos posibles problemas de seguridad. Me interesé en el tema cuando me uní al equipo de biología sintética de Peccoud. Me di cuenta de que muchos de los métodos que estamos usando, como la reacción en cadena de la polimerasa (PCR) y las transformaciones bacterianas, son métodos que había usado antes pero nunca me pregunté de dónde venían las secuencias de ADN o cómo sabría si algo había cambiado. en las secuencias. Éste es el status quo: trabajamos con el ADN y damos por sentado que será lo que pensamos que es. Una vez que eres consciente de los problemas de bioseguridad, es algo a lo que no puedes darle la espalda. Ahora veo esos problemas en todas partes.

¿Cómo puede la secuenciación del ADN prevenir posibles eventos de bioseguridad?

Berezín: Los análisis iniciales de los productos de ADN pueden no ser suficientes para evitar que surjan problemas años después. El ADN va a mutar. Eso es lo que le gusta hacer. Le gusta replicar y a veces eso no sale a la perfección. Entonces, incluso si tuviera algo seguro en un tubo en su laboratorio, después de propagarlo 100 o 1000 veces, es posible que no tenga lo que cree que tiene. Si eso es peligroso o no, realmente depende del escenario específico, pero esa incertidumbre de no saber lo que se tiene es muy frecuente en los laboratorios de investigación académica. Se necesita mucho trabajo por parte del usuario para asegurarse de que está rastreando todas las secuencias que tiene y de que está secuenciando sus plásmidos a medida que avanza.

Incluso más allá de las mutaciones, cada vez que creas algo nuevo, existe la posibilidad de que no sea exactamente lo que esperas. Por ejemplo, cuando alguien crea un nuevo plásmido, a menudo adopta un enfoque de cortar y pegar en el que inserta su gen de interés en un plásmido existente y luego ejecuta una PCR en la sección insertada para comprobar que el producto tiene el tamaño esperado. Sin embargo, las personas rara vez secuencian el plásmido completo porque es costoso o puede que no sea accesible o incluso parezca que no vale la pena. Realmente estamos tratando de presionar para que las personas secuencian todo lo que tienen con la mayor frecuencia posible para detectar esos escenarios.

¿Qué es la criptografía de ADN?

Berezín: La criptografía implica codificar un mensaje secreto en algo que parece texto normal y enviarlo a alguien que tiene la información necesaria para decodificar el mensaje oculto. esto puede extenderse al ADN donde las letras se traducen a nucleótidos; por ejemplo, ‘E’ se convierte en ‘GGT’.¹ A primera vista, la secuencia se parecería a cualquier otra secuencia de ADN, pero alguien que tenga un conjunto específico de cebadores puede aislar un segmento de la secuencia y utilizar una tabla de cifrado para decodificar los nucleótidos. Se trata de un esquema de código de barras de ADN estándar que los científicos han utilizado durante décadas para demostrar que el ADN puede codificar información. Sin embargo, más recientemente, ese sistema se ha vuelto más fácil de romper. Por ejemplo, la E es la letra más común en el idioma inglés, por lo que si alguien determina la secuencia de la E, podría resultar más fácil descubrir qué se supone que dice el resto del mensaje.

Estamos interesados ​​en codificar mensajes cifrados que proporcionen al usuario información sobre la autenticidad de los materiales con los que está trabajando. Para ello, nuestro grupo ha estado desarrollando un método de firma digital llamado Número de identificación de ADN (DIN), que es un método de criptografía más complejo que hace que al receptor le resulte aún más difícil abrirlo a menos que sepa lo que está buscando.

¿Cómo funciona el sistema de Número de Identificación de ADN?

Peccoud: En cualquier industria madura, existe algún tipo de sistema de identificación de productos que permite autenticar un producto individual. No tenemos eso en biotecnología. El estruendo el sistema es un tecnología de certificado digital para verificar secuencias sintéticas.² El sistema toma prestado del Número de identificación del vehículo (VIN), un código único utilizado por la industria automotriz para identificar vehículos individuales y acceder a información sobre el fabricante, la marca y el modelo del automóvil. El Enfoque DIN crea un casete de firma digital que se incrusta en un plásmido de ADN.³ Una vez identificado utilizando cebadores que reconocen una secuencia de inicio y parada, el usuario puede extraer información como el ID ORCID del desarrollador, un ID de plásmido y una firma digital del creador.

Berezín: Actualmente, el casete DIN tiene una longitud de 512 pares de bases, independientemente de la longitud del mensaje entrante; ya sea que la información cifrada utilice 5.000 o 10.000 pares de bases, una función hash comprime los datos en la misma secuencia de 512 nucleótidos de longitud. La función hash es una cadena aleatoria de nucleótidos generada por computadora que es más difícil de romper. Para confirmar que la secuencia de la función hash no interfiere inadvertidamente con la función ni introduce una mutación no deseada, podemos compararla con una base de datos de secuencias e introducirla en bacterias para ver cómo afecta la expresión genética y el comportamiento. Esto es algo que seguimos probando, además de crear un casete de firmas aún más pequeño.

¿Qué tipo de infraestructura se necesita en los laboratorios para respaldar una adopción más amplia de estas herramientas?

Berezín: La verificación continua de las secuencias de ADN depende de que tengamos una buena tecnología de secuenciación. Para obtener una lectura de secuenciación lo más precisa posible, utilizamos una combinación de tecnologías de secuenciación: secuenciación de lectura corta, secuenciación de lectura larga y secuenciación de Sanger. Esto también requiere que los usuarios tengan habilidades de programación y análisis de secuencias, lo que podría generar problemas de accesibilidad. Por el momento, es difícil analizar lecturas de secuenciación si nunca se ha trabajado con bioinformática. Algo en lo que estamos trabajando es un sitio web fácil de usar donde los usuarios pueden cargar sus datos sin procesar y nuestro canal bioinformático devuelve información sobre su secuencia.

Divulgación de conflictos de intereses: Jean Peccoud es el director de operaciones de GenoFAB, Inc, una biofundición que brinda servicios de gestión de plásmidos e inventor de una patente relacionada con la investigación analizada en esta historia.