Los científicos crearon un genoma sintético para una bacteria uniendo bloques de construcción de ADN, y el nuevo genoma hizo que el microbio fuera inmune a la infección viral.
Incluso cuando se expone a un cóctel de bacteriófagos, virus que infectan bacterias – el diseñador Escherichia coli permaneció ileso, mientras que una versión no modificada de la bacteria sucumbió rápidamente al ataque viral y murió, informó el equipo de investigación en su nuevo estudio, publicado el jueves (3 de junio) en la revista. Ciencias. Eso es porque virus usualmente secuestran la maquinaria interna de una célula para hacer nuevas copias de sí mismos, pero en el diseñador E. coli, esa maquinaria ya no existía.
«Nuestra comprensión del código genético nos permitió plantear la hipótesis de que los virus no deberían poder infectar y propagarse» en la versión modificada E. coli, y eso resultó ser cierto, dijo el primer autor Wesley Robertson, investigador postdoctoral en biología sintética en el Laboratorio de Biología Molecular MRC (MRC-LMB) en el Reino Unido. Hacer que las bacterias sean resistentes a las infecciones virales podría ser útil en el desarrollo de fármacos, ya que los fármacos como la insulina y algunos ingredientes de las vacunas se cultivan en bacterias, por ejemplo, escribieron los autores en su estudio.
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Pero si bien es un buen beneficio, hacer E. coli invulnerable a los virus no era el objetivo principal de la investigación, dijo Robertson. El equipo quería reemplazar los genes y la maquinaria celular que habían eliminado con maquinaria reprogramada de su propio diseño, para que el microbio produjera proteínas de acuerdo con sus instrucciones.
Las celdas normalmente solo usan 20 bloques de construcción, llamados aminoácidos, para construir todas sus proteínas, pero ahora, los científicos pueden introducir «aminoácidos no naturales» para su uso en la construcción de proteínas, que tienen la misma estructura básica que todos los aminoácidos, pero cadenas laterales novedosas. De esta manera, el equipo impulsó a sus microbios modificados a construir macrociclos, una clase de moléculas utilizadas en varios medicamentos, incluidos los antibióticos, con aminoácidos no naturales incorporados en sus estructuras. En el futuro, el mismo sistema podría adaptarse potencialmente para fabricar materiales similares al plástico, sin la necesidad de petróleo crudo, dijo Robertson.
«Esto era impensable hace diez años», dijo Abhishek Chatterjee, profesor asociado de química en Boston College, que no participó en el estudio. Suponiendo que el método pueda ser adoptado fácilmente por otros laboratorios, podría usarse para una amplia gama de propósitos, desde el desarrollo de fármacos hasta la producción de materiales nunca antes vistos, dijo.
«De hecho, puede crear una clase de polímeros que son completamente desconocidos», dijo Chatterjee. «Cuando esto [technology] se vuelve realmente eficiente y se solucionan todos los problemas, podría convertirse en un motor para desarrollar nuevas clases de biomateriales «, que podrían usarse en dispositivos médicos que se implanten en el cuerpo humano, por ejemplo, dijo.
Construyendo genomas desde cero
Para crear su programable E. coli, el equipo aprovechó una peculiaridad en el proceso de cómo la información genética se traduce en proteínas.
Como un humano ADN, E. coli cromosomas contienen cuatro bases, adenina (A), timina (T), citosina (C) y guanina (G). Un conjunto de tres bases, como TCG o AGC, por ejemplo, se conoce como codón, y cada codón corresponde a un aminoácido o bloque de construcción de proteínas. Además, algunos codones le dicen a la célula cuándo dejar de construir una proteína; estos se denominan «codones de parada».
Cuando una célula necesita que se construya una proteína en particular, una enzima entra en acción y copia todos los codones relevantes para esa proteína y almacena esa información en una nueva molécula llamada ARN mensajero (ARNm). Luego, el ARNm se envía a la fábrica de construcción de proteínas de la célula, el ribosoma, donde otra molécula llamada ARN de transferencia (ARNt) lee esas instrucciones copiadas. El tRNA luego obtiene todos los aminoácidos necesarios para construir la proteína deseada, hasta el codón de parada.
Las bases de ADN se pueden organizar en 64 codones de tres bases diferentes, tres de los cuales son codones de terminación. Dicho esto, las células en realidad solo tienen 20 aminoácidos con los que trabajar, lo que significa que varios codones diferentes codifican los mismos aminoácidos.
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«Existe esta redundancia inherente en el código genético, donde tienes 64 codones, pero solo 20 bloques de construcción», dijo Robertson. Robertson y sus colegas se preguntaron si, al reemplazar los codones redundantes con sus «sinónimos», podrían reasignar algunos de estos codones redundantes para codificar nuevos aminoácidos sin matar la célula.
En un estudio anterior, publicado en 2019 en la revista Naturaleza, el equipo superó el primer obstáculo en este desafío creando una nueva cepa de E. coli con un genoma reducido. Dirigido por Jason Chin, líder del programa en MRC-LMB y director del Centro de Biología Química y Sintética, el grupo intercambió todos los codones TCG y TCA por AGC y AGT, que codifican el aminoácido serina.
Hicieron esto usando una técnica llamada «escisión de replicones para mejorar la ingeniería del genoma a través de recombinación programada», o simplemente REXER para abreviar. REXER puede cortar grandes porciones de E. coli genoma en un solo paso y reemplazar el fragmento escindido con ADN sintético, que en este caso, utilizó AGC y AGT en lugar de TCG y TCA. Este proceso se puede aplicar de forma escalonada, avanzando poco a poco en el genoma para que fragmento tras fragmento se sustituya por ADN sintético; De esta manera, el equipo eliminó todas las instancias de TCG y TCA de su E. coli presion.
«Si va a hacer un montón de cambios, en realidad es más eficiente comenzar desde cero y simplemente construirlo de abajo hacia arriba», en lugar de intercambiar codones uno por uno del genoma natural, dijo Robertson. El equipo también cambió el codón de terminación TAG por TAA, un codón de terminación sinónimo, y así liberó tres codones para reprogramar, ya que la célula ya no contenía TCG, TCA o TAG.
Y a pesar de tener estos tres codones eliminados, la nueva cepa de E. coli sobrevivió bien en el entorno del laboratorio, y el equipo seleccionó aquellas células que crecieron más rápido en el cultivo celular. Las células que experimentaron esta evolución dirigida crecieron de manera confiable en placas de laboratorio, aunque el E. coli Moriría rápidamente si se colocara fuera del entorno controlado del laboratorio, anotó Robertson.
Un sistema ‘plug-and-play’
Ahora, en su estudio más reciente, el equipo hizo un último ajuste a su E. coli eliminando genes que codifican dos moléculas de ARNt específicas: las moléculas que leen los codones y recogen todos los aminoácidos apropiados. Estos ARNt normalmente reconocerían los codones TCG y TCA. El equipo también eliminó genes de un llamado factor de liberación que normalmente reconoce el codón de terminación TAG. Estos cambios hicieron que la nueva cepa bacteriana fuera invulnerable a los virus, encontró el equipo.
Los genomas del virus contienen codones TCG, TCA y TAG, pero sin el ARNt y los factores de liberación correctos, dijo el diseñador. E. coli no puede leer estos genes virales y, por lo tanto, no puede ser víctima de los patógenos. «Cuando el virus infecta, no tiene el mismo codigo genetico como el nuestro [modified E. coli] células, y luego no puede hacer sus propias proteinas y no se puede propagar «, dijo Robertson.
Pero nuevamente, el objetivo principal del estudio fue reprogramar los codones liberados para generar nuevas proteínas. Para hacerlo, el equipo generó moléculas de ARNt que se emparejaron con aminoácidos no naturales de su propio diseño; Estos ARNt fueron programados para reconocer los codones TCG, TCA y TAG que ahora faltan en el E. coli presion. El equipo reintrodujo los codones faltantes colocándolos dentro de pequeños bucles de ADN, llamados plásmidos, que pueden insertarse en la bacteria sin alterar su genoma.
Los plásmidos, el ARNt y los aminoácidos no naturales proporcionaron todos los planos, herramientas y materiales que las células necesitaban para construir proteínas de diseño para los investigadores. «Por lo tanto, puede producir proteínas en una célula de una manera programable, basándose en el ADN que le proporcionamos a la célula, con 23 bloques de construcción», en lugar de 20, dijo Robertson. «Es un gran sistema plug-and-play».
Otros grupos de investigación han intentado introducir aminoácidos no naturales en las proteínas en el pasado, pero estas estrategias no fueron muy eficientes, escribieron Chatterjee y Delilah Jewel, una estudiante de posgrado en el laboratorio de Chatterjee, en un comunicado. comentario publicado en el mismo número de Science. Por ejemplo, el laboratorio de Chatterjee emparejó con éxito aminoácidos no naturales con los dos codones de parada en E. coli, pero este método solo les permitió insertar estos aminoácidos no naturales en un solo sitio en la proteína final, informaron en un estudio de 2019 en el Revista de la Sociedad Química Estadounidense.
Ahora, con el nuevo método, los científicos pueden comenzar a ampliar los límites de las proteínas y polímeros que pueden construir, dijo Chatterjee a WordsSideKick.com. «Es una especie de imaginación. ¿Cómo podrían verse esos aminoácidos?» él dijo. «¿Qué tipo de química podrían tener, funcionalidades podrían tener, a las que la naturaleza nunca tuvo acceso?»
Mirando hacia el futuro, los científicos podrían potencialmente eliminar aún más codones del E. coli genoma, liberando aún más canales para la construcción de proteínas de diseño, dijo Robertson. Pero por ahora, es probable que tres canales abiertos sean suficientes para trabajar, dijo. «¿Necesitamos siete canales abiertos? ¿O son tres canales abiertos suficientes para expandir realmente lo que podemos hacer, en términos de proporcionar nuevas aplicaciones?» él dijo. «Es beneficioso centrarse en las aplicaciones ahora».
Publicado originalmente en Live Science.