Un equipo internacional de científicos de Estados Unidos, Francia y China ha creado una forma de vida semisintética. Aunque ya se han hecho intentos de obtener bacterias con ADN modificado, los microorganismos se multiplicaron pobremente, requirieron condiciones especiales de crecimiento y finalmente se deshicieron de las modificaciones introducidas en ellos. "Lenta.ru" habla de un nuevo trabajo en el que los investigadores lograron resolver estos problemas, habiendo obtenido una criatura que es radicalmente diferente a toda la vida natural de la Tierra.
Más recientemente, el ADN de todos los organismos vivos de nuestro planeta constaba de cuatro tipos de nucleótidos que contenían adenina (A), timina (T), guanina (G) o citosina ©. Las cadenas de decenas o cientos de millones de nucleótidos forman cromosomas separados. Los genes que se encuentran en los cromosomas son esencialmente secuencias de nucleótidos largas en las que se codifican las secuencias de aminoácidos de las proteínas. La combinación de tres nucleótidos consecutivos (codón o triplete) corresponde a uno de los 20 aminoácidos. Así, la vida usa un código genético de tres letras (ATG, CGC, etc.) basado en un alfabeto de cuatro letras (A, C, T, G).
Cuando una célula de un organismo necesita una proteína (polipéptido), el gen que la codifica se activa. Este último está unido a una enzima especial llamada ARN polimerasa, que, durante el proceso de transcripción, comienza a seguir la secuencia de nucleótidos y crea una copia de la misma en forma de una molécula llamada ARN mensajero (ARNm). El ARN es muy similar al ADN, pero en lugar de timina, contiene uracilo (U). Después de eso, el ARNm sale del núcleo celular y se dirige a los ribosomas, donde sirve como receta para la creación de la cadena de aminoácidos de la proteína durante la traducción.
Los investigadores decidieron cambiar el código genético de Escherichia coli añadiéndole dos "letras" adicionales. El caso es que el ADN en los organismos vivos es doble, es decir, está formado por dos cadenas que se emparejan entre sí por enlaces complementarios. Dichos enlaces se forman entre la base del nucleótido A de una hebra y la base del nucleótido T de la otra (de manera similar, entre C y G). Es por eso que los dos nuevos nucleótidos sintéticos también deben poder emparejarse de forma complementaria. La elección recayó en dNaM y d5SICS.
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E. coli Escherichia coli
Foto: Laboratorios de las Montañas Rocosas / NIAID / NIH
Se insertó un par de nucleótidos sintéticos en un plásmido, una molécula de ADN circular de doble hebra capaz de multiplicarse por separado del resto del genoma bacteriano. Reemplazaron un par de nucleótidos complementarios A y T, que formaban parte del operón de lactosa, un conjunto de genes que metabolizan el azúcar de lactosa y las secuencias de ADN no codificantes asociadas con ellos. Los nucleótidos sintéticos no se incluyeron en la región que la polimerasa copia en el ARNm.
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¿Por qué los científicos decidieron no insertar nucleótidos sintéticos directamente en el gen, sino junto a él? El hecho es que es muy difícil cambiar un gen de esta manera para que siga siendo funcional. Después de todo, para esto, necesita unir los nuevos codones resultantes a cualquier aminoácido. Para ello, a su vez, es necesario enseñar a la célula a producir varios tipos de ARN de transporte (ARNt), que puedan reconocer estos codones.
Las moléculas de ARNt realizan la siguiente función. Ellos, como camiones, llevan un cierto aminoácido en un extremo, se acercan al ARNm en los ribosomas y, a su vez, comienzan a emparejar el triplete de nucleótidos en el otro extremo con el codón. Si coinciden, el aminoácido se elimina y se incorpora a la proteína. Sin embargo, si no existe un ARNt adecuado, la proteína no se sintetizará, lo que puede afectar negativamente a la viabilidad celular. Por lo tanto, al insertar nucleótidos sintéticos en genes, los científicos tendrían que crear genes que codifiquen nuevos ARNt que puedan reconocer codones artificiales y unir el aminoácido correcto al polipéptido. Sin embargo, la tarea de los investigadores fue más sencilla. Necesitaban asegurarse de que el plásmido con nucleótidos sintéticos se multiplicara con éxito y se transmitiera a los organismos hijos.
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Plásmidos utilizados para transformar Escherichia coli
Imagen: Denis A. Malyshev / Kirandeep Dhami / Thomas Lavergne / Tingjian Chen / Nan Dai / Jeremy M. Foster / Ivan R. Correa / Floyd E. Romesberg / Nature / Departamento de Química / Instituto de Investigación Scripps
Este plásmido, denominado pINF, se introdujo en E. coli. Sin embargo, para copiarlo, es necesario que haya muchos nucleótidos dentro de la célula bacteriana. Para ello, se insertó otro plásmido, pCDF-1b, en E. coli. Contenía el gen de la diatomea Phaeodactylum tricornutum PtNTT2, que codifica la proteína NTT, que transporta nucleótidos desde el medio nutritivo a la célula.
Sin embargo, los científicos se enfrentaron a una serie de dificultades. Primero, las proteínas de Phaeodactylum tricornutum tienen un efecto tóxico en la célula de E. coli. Todo por la presencia en ellos de un fragmento de la secuencia de aminoácidos, que tiene una función de señalización. Gracias a ella, la proteína toma la posición correcta en la célula del alga, después de lo cual se elimina la secuencia. E. coli no puede eliminar este fragmento, por lo que los investigadores la ayudaron. Pudieron eliminar los primeros 65 aminoácidos de NTT. Esto redujo significativamente la toxicidad, aunque también redujo la velocidad de transporte de nucleótidos.
Otro problema fue que los nucleótidos sintéticos se retenían en los plásmidos durante mucho tiempo y no se reemplazaban cuando se copiaba el ADN. Al final resultó que, su seguridad dependía de los nucleótidos que los rodeaban. Para averiguarlo, los científicos analizaron varias combinaciones incluidas en 16 plásmidos. Para comprender si un nucleótido sintético se había salido de la secuencia, los investigadores utilizaron la tecnología CRISPR / Cas9.
CRISPR / Cas9
Imagen: Steve Dixon / Feng Zhang / MIT
CRISPR / Cas9 es un mecanismo molecular que existe dentro de las bacterias y les permite combatir los bacteriófagos. En otras palabras, esta tecnología representa inmunidad contra infecciones virales. CRISPR es una pieza especial de ADN. Contienen pequeños fragmentos de virus de ADN que alguna vez infectaron a los antepasados de las bacterias actuales, pero que fueron derrotados por sus defensas internas.
Cuando el bacteriófago entra en la bacteria, estos fragmentos se utilizan como plantilla para la síntesis de moléculas llamadas crRNA. Se forman muchas cadenas de ARN diferentes que se unen a la proteína Cas9, cuya tarea es cortar el ADN del virus. Solo puede hacer esto después de que el crRNA encuentre un fragmento complementario de ADN viral.
Si, en lugar de crRNA, se usa una secuencia de RNA complementaria a un determinado fragmento del plásmido, entonces Cas9 cortará el plásmido también. Pero si hay nucleótidos sintéticos en ese fragmento, la proteína no funcionará. Por tanto, utilizando CRISPR, es posible aislar aquellos plásmidos que son resistentes a mutaciones no deseadas. Resultó que en 13 de los 16 plásmidos, la pérdida de nucleótidos sintéticos fue insignificante.
Así, los investigadores lograron crear un organismo con cambios fundamentales en el ADN, capaz de retenerlos en sí mismo de manera indefinida.
Aunque una forma de vida semisintética tiene solo dos nucleótidos no naturales en su genoma, que no se encuentran en los codones y no están involucrados en la codificación de aminoácidos, es el primer organismo resistente cuyo alfabeto de ADN consta de seis letras. En el futuro, lo más probable es que los científicos puedan usar esta innovación para sintetizar proteínas, creando así un código genético artificial completo.
Alexander Enikeev
