Un equipo de investigadores dirigido por el profesor Sebastian Deindl de la Universidad de Uppsala ha desarrollado un método pionero que mejora enormemente la capacidad de observar y analizar procesos biológicos complejos a nivel de una sola molécula. Su trabajo Está previsto que se publique en el próximo número de la revista. Ciencia.
Con nuestra nueva técnica, ahora podemos extender la biofísica de una sola molécula a la escala del genoma. Se espera que este avance profundice significativamente nuestra comprensión de cómo funcionan las proteínas que interactúan con los ácidos nucleicos tanto en la salud como en la enfermedad”.
Profesor Sebastian Deindl, autor principal del estudio
El método, que se llama MÚSCULO (Caracterización de molécula única multiplexada a escala de biblioteca), abre la puerta a estudios más precisos y completos de sistemas biológicos, donde es fundamental comprender el espectro completo del comportamiento molecular. Se espera que tenga un profundo impacto en el estudio de la dinámica molecular compleja en función de la secuencia o el espacio químico, permitiendo a los investigadores explorar territorios en biología previamente inexplorados.
El método recientemente desarrollado supera una limitación significativa en el campo de la microscopía de fluorescencia de molécula única, que hasta ahora ha estado restringido por un bajo rendimiento debido a la laboriosa naturaleza de analizar una muestra a la vez. Los enfoques tradicionales se han limitado a estudiar una pequeña cantidad de muestras representativas, lo que puede generar sesgos y perder oportunidades para descubrir nuevos conocimientos dentro de grandes bibliotecas de moléculas.
MUSCLE aborda este desafío combinando los conocimientos mecanicistas de la microscopía de fluorescencia de una sola molécula con las capacidades de alto rendimiento de la secuenciación de próxima generación. El flujo de trabajo comienza conectando una biblioteca de moléculas marcadas con fluorescencia a una superficie conocida como celda de flujo Illumina MiSeq. Luego, esta celda de flujo se coloca en un microscopio de fluorescencia de una sola molécula utilizando un adaptador impreso en 3D, lo que permite a los investigadores observar la dinámica en tiempo real de moléculas individuales en múltiples campos de visión. Después de obtener imágenes, la celda de flujo se somete a secuenciación estándar de Illumina, que genera grupos de copias idénticas de las moléculas observadas previamente. Luego, estos grupos se combinan con las moléculas correspondientes según sus posiciones en la celda de flujo.
«El registro espacial de imágenes de una sola molécula y datos de secuenciación de Illumina ha resultado extremadamente desafiante, pero el problema ahora está resuelto», dice el Dr. Anton Sabantsev, primer autor conjunto del estudio.
Este enfoque innovador permite a los investigadores perfilar simultáneamente la dinámica de una amplia gama de muestras, proporcionando una comprensión más completa de procesos biológicos complejos.
«Nuestro método permite la observación directa de comportamientos moleculares dinámicos en extensas bibliotecas, lo que aumenta significativamente nuestra capacidad para descubrir tendencias generales, comportamientos atípicos y firmas dinámicas únicas que de otro modo permanecerían ocultas. Está preparado para transformar la forma en que estudiamos la dinámica de las biomoléculas, con amplias aplicaciones en biología molecular, genética y descubrimiento de fármacos», afirma el profesor Deindl.
Los primeros autores conjuntos del estudio, el Dr. Javier Aguirre Rivera, el Dr. Guanzhong Mao, el Dr. Anton Sabantsev y M. Panfilov, hicieron contribuciones significativas al desarrollo y validación de esta nueva técnica.
«La clave de este desafiante esfuerzo de varios años fue el maravilloso trabajo en equipo entre nuestros miembros. Todos aportaron algo diferente, lo cual fue crucial para superar los obstáculos técnicos que enfrentamos», dice el Dr. Guanzhong Mao.
El equipo de investigación también incluyó a Magnus Lindell de la Infraestructura Nacional de Genómica SciLifeLab en Uppsala, cuya experiencia fue fundamental para integrar la secuenciación de próxima generación en el flujo de trabajo MUSCLE. En sus experimentos iniciales, el equipo aplicó el método para perfilar la dinámica de la horquilla del ADN y el desenrollado/rebobinado del ADN inducido por Cas9. Sus hallazgos revelaron comportamientos inesperados en ciertas secuencias objetivo, destacando el potencial del método para desbloquear nuevos conocimientos biológicos.
Dada su dependencia de la microscopía de fluorescencia ampliamente disponible y de instrumentos MiSeq, junto con la facilidad de fabricar el adaptador necesario mediante impresión 3D, el método es muy accesible para la comunidad científica en general. Puede adaptarse para estudiar una amplia gama de proteínas que interactúan con ácidos nucleicos, así como proteínas, compuestos o ligandos con códigos de barras de ADN.
Fuente:
Referencia de la revista:
Aguirre Rivera, J., y otros. (2024). Análisis masivo en paralelo de la dinámica de una sola molécula en chips de secuenciación de próxima generación. Ciencia. doi.org/10.1126/science.adn5371.
