El primer microbio sintético, diseñado hace cinco años en un ordenador y generado químicamente en un laboratorio del Instituto J. Craig Venter (JCVI), reunía en sus 473 genes la expresión mínima de vida artificial.

Sin embargo, ese Frankenstein microscópico, como la Criatura de Mary Shelley, no acababa de funcionar del todo bien: se comportaba de una forma extraña al crecer y dividirse, produciendo células con formas y tamaños muy dispares.

En una reciente investigación de la que dan cuentan en la revista Cell,  los científicos han identificado siete genes que se pueden añadir para lograr que la célula sintética se divida uniformemente.

La identificación de estos genes es un paso importante hacia la ingeniería de células sintéticas que culmine con funciones útiles, como la capacidad para generar medicamentos o combustible, o de servir como nanotécnicas para la detección de enfermedades desde el interior del organismo.

Esta nueva generación de organismos sintéticos está desarrollada por científicos del JCVI en colaboración con el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología  (NIST) y el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT). Si el primer organismo artificial recibió el nombre de JCVI-syn3.0, su actualización se llama ahora JCVI-syn3A.

Junto a los siete genes que parecen mejorar la capacidad de división celular, al nuevo organismo se le han añadido 19 genes, optimizando así una primera versión quizá demasiado minimalista (la bacteria E. coli tiene unos 4 000 genes, y una célula humana, alrededor de 30 000).

La identificación de esos siete genes claves para el correcto crecimiento del organismo ha sido fruto de años de investigación, basada literalmente en el método del ensayo-error. Los codirectores de este estudio, John Glass y Lijie Sun (JCVI) recrearon los genes y construyeron docenas de cepas variantes añadiendo y eliminando genes de forma sistemática, para luego observar cómo esos cambios genéticos afectaban el crecimiento y la división celular.

Por su parte, los científicos del NIST, dirigidos por la bioingeniera Elizabeth Strychalski, medían los cambios conseguidos bajo el microscopio, lo que suponía todo un desafío, porque las células tenían que estar vivas para poder observarlas, algo especialmente difícil con este material tan pequeño y delicado. Para resolver este problema, los investigadores del MIT diseñaron un microquimiostato, una especie de mini-acuario, donde las células podrían mantenerse sin sobresaltos bajo un microscopio óptico. El resultado fue un video que mostraba las células sintéticas creciendo y dividiéndose.

Con ayuda de estos vídeos, los investigadores podían observar cómo afectaba la interrupción de un gen el proceso normal, y así tanteaban con uno u otro. “Nuestro objetivo es conocer la función de cada gen para que podamos desarrollar un modelo completo de cómo funciona una célula», afirma James Pelletier, del MIT.

Pero ese objetivo aún no se ha alcanzado. De los siete genes agregados a este organismo para la división celular normal, los científicos solo saben lo que hacen dos de ellos. No se conocen las funciones que desempeñan los otros cinco en la división celular. «La vida sigue siendo una caja negra«, reconoce Strychalski. Pero con esta célula sintética simplificada, los científicos pueden comprobar de primera mano lo que sucede en su interior. Podría convertirse en una herramienta de uso rutinario  para investigar las funciones esenciales de la vida.

El organismo que partió de una célula

La construcción del microbio sintético nace a su vez de una primera célula bacteriana sintética, creada en 2010 también en un laboratorio de JCVI. Esa primera célula, que se denominó JCVI-syn1.0, no partía complemente de cero. Sobre la base de un micoplasma, Mycoplasma mycoides, del que retiraron el ADN y lo reemplazaron por otro diseñado en un ordenador y sintetizado de forma artificial. Ese fue el primer organismo en la historia de la vida en la Tierra en tener un genoma completamente sintético.

La construcción y puesta en funcionamiento de la primera célula bacteriana sintética con capacidad de autorreplicarse demostró entonces que se pueden diseñar genomas por ordenador, generarlos químicamente en el laboratorio y trasplantarlos a una célula receptora para crear una nueva célula que puede autorreproducirse y solo esté controlada por el genoma sintético.

abril 09/2021 (Diario Médico)

Referencia:

Pelletier JF., Sun l., Wise KM., Assad-Garcia N., Bogumil J., Karas B.J., Deerinck T.J., Ellisman M.H.,  Mershin A., Gershenfeld N., Chuang RY., Glass J.I., Strychalski E.A., Genetic requirements for cell division in a genomically minimal cell, Genetic requirements for cell division in a genomically minimal cell, Cell, 2021, ISSN 0092-8674, https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.03.008.

El nuevo estudio, que se publica en «Science«, sigue la estela del logro alcanzado por este grupo en 2010: la construcción y puesta en funcionamiento de la primera célula bacteriana sintética con capacidad de autorreplicarse, que demostró que se pueden diseñar genomas por ordenador, generarlos químicamente en el laboratorio y trasplantarlos a una célula receptora para crear una nueva célula que puede autorreproducirse y solo está controlada por el genoma sintético.

El siguiente gran paso ha sido la síntesis de una célula que contenga solo el material genético indispensable para mantener la vida en su forma más simple. El objetivo es avanzar en la comprensión de la función de cada uno de los genes esenciales en una célula.

Para llevar a cabo esta investigación, Venter y sus colaboradores se valieron, una vez más, de los micoplasmas, bacterias que se caracterizan por poseer los genomas más reducidos que se conocen en células que se reproducen de forma autónoma. En 2010 sintetizaron el genoma de «Mycoplasma mycoides». En este nuevo trabajo, basándose en la literatura científica disponible, diseñaron, en primer lugar, genomas mínimos en ocho segmentos diferentes, con el fin de evaluar cada uno de ellos para clasificar sus genes constituyentes como esenciales o no.

Durante ese proceso de diseño, construcción y prueba, también buscaron los genes casi esenciales, es decir, aquellos que se requieren para un crecimiento adecuado pero que no son absolutamente necesarios para la vida.

Experimentos con transposones
A través de distintos experimentos, insertaron transposones en numerosos genes para alterar sus funciones y determinar cuáles eran necesarios para el funcionamiento de la bacteria. Realizaron estas pruebas de forma repetida hasta que constataron que no podían eliminar la función de ningún gen más y, por lo tanto, el genoma resultante era lo más reducido posible.

El análisis reveló que algunos genes inicialmente clasificados como no esenciales desempeñaban, en realidad, la misma función esencial que un segundo gen; de este modo, vieron que uno de esos dos genes debía mantenerse en el genoma mínimo.

La versión final, denominada JCVI-syn3.0, contiene 473 genes, lo que supone un genoma más pequeño que el de cualquier otra célula hallada hasta la fecha en la naturaleza que sea capaz de reproducirse de forma autónoma.

Ese genoma mínimo carece de todos los genes modificadores del ADN y de restricción, así como de la mayoría de los que codifican lipoproteínas. En cambio, casi todos los genes que contiene están implicados en la lectura y expresión de la información genética, así como en la preservación de esa información a lo largo de las generaciones.

Todavía no se conoce la función biológica de en torno al 31 por ciento de los genes de JCVI.syn3.0. Sin embargo, se han encontrado varios posibles homólogos de algunos de esos genes en otros organismos, lo que indicaría que codifican proteínas universales cuyas funciones todavía están por descubrir.

Los investigadores consideran que han desarrollado una plataforma genómica que puede convertirse en una herramienta para investigar las funciones esenciales de la vida.
marzo 31/2016 (Diario Médico)