Biofísica de molécula única en la era del alto rendimiento

Una plataforma innovadora que combine la resolución de las técnicas de molécula única con la escala de los métodos de alto rendimiento podría transformar la biofísica.

Investigación fundamental

Salud

Desde hace tiempo, la capacidad de estudiar grandes bibliotecas de secuencias de ADN, ARN y proteínas a nivel de molécula única es un objetivo fundamental de la biofísica, que promete desvelar nuevas dimensiones de la comprensión molecular. «Al permitir a los investigadores examinar la dinámica y las interacciones de moléculas individuales, tales estudios proporcionarían una comprensión más profunda de los procesos biológicos», afirma Chirlmin Joo(se abrirá en una nueva ventana), un biofísico de la Universidad Técnica de Delft(se abrirá en una nueva ventana). «También abriría la puerta a nuevas formas de tratar trastornos genéticos, cáncer y otras enfermedades». El equipo del proyecto MIGHTY_RNA, financiado por el Consejo Europeo de Investigación(se abrirá en una nueva ventana), contribuye a superar esta antigua limitación. El núcleo de esta iniciativa es SPARXS, una plataforma innovadora que integra mediciones de fluorescencia de una sola molécula con secuenciación de nueva generación para permitir la realización de estudios biofísicos de alto rendimiento y secuencia específica. «Esta innovación permite la caracterización cinética y estructural simultánea de millones de moléculas con miles de secuencias únicas», explica Joo, lo que acelera la comprensión de su forma y comportamiento.

Superar los retos

Para desarrollar la plataforma SPARXS, los investigadores superaron varios retos. Uno de ellos era garantizar la compatibilidad de la detección de fluorescencia de molécula única y los procesos de secuenciación en la misma celda de flujo de secuenciación comercial. Al principio, los investigadores ni siquiera estaban seguros de que esto fuera a funcionar, ya que no tenían control directo sobre las condiciones dentro de una celda de flujo de secuenciación. «Lograr la fluorescencia de una sola molécula (sin ruido de fondo) en ese entorno exigía replantearse las estrategias de detección desde cero», señala Joo. «Fue un gran avance que hizo posible SPARXS». Además, para alinear los vastos conjuntos de datos de las modalidades de microscopía de fluorescencia y secuenciación, el equipo del proyecto tuvo que desarrollar algoritmos personalizados capaces de realizar un acoplamiento preciso de los datos. Los conjuntos de datos, junto con todo el «software» utilizado en el proyecto, son de acceso libre(se abrirá en una nueva ventana).

Un experimento, miles de secuencias únicas

Gracias a SPARXS, los investigadores estudiaron el comportamiento cinético de más de cuatro mil secuencias únicas de ADN en un solo experimento. Según Joo, este trabajo no solo revela conocimientos nuevos sobre la dinámica molecular dependiente de la secuencia, sino que también proporciona un marco robusto y generalizable que puede aplicarse al estudio de proteínas, ARN y otras biomoléculas. «En SPARXS se abren nuevas vías para entender las relaciones secuencia-estructura-función a una escala sin precedentes, y ver cómo este concepto se materializa y se valida experimentalmente ha sido un punto de inflexión en mi carrera», añade.

Cómo influyen las variaciones de secuencia en el comportamiento molecular

En el proyecto MIGHTY_RNA se han traspasado los límites de la biofísica de moléculas únicas al ámbito del alto rendimiento, y se pretende seguir haciéndolo. Actualmente, los investigadores intentan ampliar el uso de SPARXS más allá de los ácidos nucleicos, adaptándolo para estudiar las interacciones proteína-ligando y proteína-péptido. En el proyecto también se explora la posibilidad de integrar los datos de SPARXS con métodos de aprendizaje automático. Esta combinación permitiría a la plataforma predecir interacciones y dinámicas moleculares, lo que potenciaría su uso en el descubrimiento de fármacos y la biología sintética. «Al combinar la resolución de las técnicas de molécula única con la escala de los métodos de alto rendimiento, la plataforma SPARXS permite a los investigadores estudiar sistemáticamente cómo influyen las variaciones de secuencia en el comportamiento molecular, con aplicaciones que van desde la biofísica fundamental a la investigación biomédica traslacional», concluye Joo. En la actualidad, recibe consultas(se abrirá en una nueva ventana) de posibles colaboradores interesados en aplicar SPARXS a otros sistemas biológicos.