Una bacteria reprogramada habla un nuevo lenguaje de la vida

A una bacteria se le ha de recodificar su genoma para que ya no aplique el lenguaje estándar de la vida. En cambio, si ha sido liberada de una de sus palabras para impartirle un significado diferente, esto permite la adición de elementos genéticos que no existen en la naturaleza

El trabajo fue descrito como el primer paso hacia una nueva biología, porque las técnicas utilizadas abren la puerta para reinventar el significado de varias palabras genéticas al mismo tiempo, lo que podría crear nuevos tipos de biomateriales y medicamentos.

Las bacterias modificadas por ingeniería, denominadas organismos genéticamente recodificados (GROs, por el inglés «Genetically Recoded Organisms»), tienen la ventaja adicional de ser resistentes a muchos de los virus existentes. También tienen menos probabilidades de fugarse del laboratorio y sobrevivir que los organismos modificados genéticamente convencionales, lo cual debería hacerlas más aceptables para uso comercial.

Arquitectura extraña

Las cuatro letras del código genético son leídas habitualmente por la maquinaria de producción de proteínas de una célula, el ribosoma, en conjuntos de tres letras llamados codones. Cada «palabra» codón proporciona instrucciones sobre qué aminoácidos se debe agregar a una cadena peptídica en crecimiento.

Aunque hay 64 formas de combinar cuatro letras, sólo se utilizan 61 codones para codificar los 20 aminoácidos encontrados en la naturaleza. Esto significa que algunos codones codifican el mismo aminoácido; un fenómeno conocido como redundancia. Las tres combinaciones sobrantes, UAG, UAA y UGA, actúan como un punto final, lo que le dice al ribosoma que termine el proceso en ese punto. Cuando esto sucede, en lugar de añadirse un aminoácido a la cadena, se une un factor de liberación y provoca la liberación del péptido, de modo que se puede plegar y se transforma en una proteína.

Un equipo de biólogos liderados por Farren Isaacs de la Universidad de Yale ahora han reescrito fundamentalmente estas reglas. Ellos tomaron células de Escherichia coli y sustituyeron la totalidad de sus codones de final UAG con UAAs. También eliminaron las instrucciones para crear el factor de liberación que normalmente se une al UAG, dándole sentido al UAG.

A continuación se pusieron a asignarle un nuevo significado al UAG, diseñando moléculas llamadas ARNt y enzimas adjuntas que unen un aminoácido no natural —agregado a la célula— toda vez que aparece ese codón. Se han diseñado muchos de estos aminoácidos, pero por lo general no pueden ser procesados e incorporados en sus proteínas por los organismos vivos. Reintroduciendo UAGs en lugares específicos dentro de los genes, el equipo puedo añadir a voluntad aminoácidos no naturales en proteínas.

«Ahora tenemos un organismo que tiene un nuevo código, y de forma fiable y eficiente podemos abrir la diversidad química de las proteínas mediante la introducción de una nueva gama de aminoácidos utilizando UAG como codón», dice Isaacs.

Por ejemplo, podrían añadirse aminoácidos que les den nuevas propiedades a las proteínas, como la capacidad de unirse a metales, dando como resultado nuevos adhesivos. O se podrían desarrollar enzimas resistentes a la digestión en el intestino, o que sólo se activen en presencia de otra molécula, dando como resultado nuevos tipos de medicamentos.

Un nuevo campo

«Este es un gran paso adelante», dice Steve Benner de la Fundación para la Evolución Molecular Aplicada en Gainesville, Florida. «Una vez que tienes una célula que es capaz de manejar tu diseño de ADN y tu diseño de los aminoácidos, entonces estás abriendo un nuevo campo de la ciencia.»

«El código genético se conserva durante toda la vida, por lo que este es un paso fundamental», dice Philipp Holliger del Laboratorio MRC de Biología Molecular en Cambridge, Reino Unido. Agrega que debido a que el código es en gran medida redundante, puede haber una buena cantidad de codones más que podrían ser removidos y luego reasignados para ampliar la química de los organismos vivos.

«Tiene un gran potencial para el futuro, no sólo para sustituir a uno aquí y otro allá, sino sustituir un montón de ellos y tener tipos completamente nuevos de biopolímeros hechos en las células. Es un primer paso en el camino hacia una nueva biología», dijo.

Aunque otros grupos han modificado previamente bacterias —e incluso moscas de la fruta— para producir proteínas que contienen aminoácidos no naturales, esto requería la adición de un ribosoma sintético en la célula que estaba en competencia con la maquinaria existente de la célula.

También ofrece una alternativa a la propuesta de Craig Venter de construir un genoma a partir de cero con el fin de impartir nuevas propiedades a las células; difícil y laborioso porque hasta el más mínimo error mata a la célula.

«Este es un resultado importante, ya que hace innecesaria la síntesis de genomas de Venter», dice Paul Freemont, del Imperial College de Londres. «[El equipo de Isaac] argumenta que pueden recodificar genomas vivos existentes de forma rápida y eficiente, lo que puede aumentar la diversidad biológica.»

Resistente a los virus

La hazaña se logró utilizando una técnica llamada ingeniería de genoma automatizada múltiplex, o MAGE por sus iniciales en inglés, que involucra el diseño de fragmentos de ADN de cadena simple que, con la ayuda de las enzimas virales, reemplazaría codones UAG existentes en el ARN con UAA cuando se les aplica electricidad a las células de E. coli.

No todos los codones finales fueron sustituido en la primera prueba, por lo que a continuación se utiliza una segunda técnica llamada CAGE, para combinar las cepas con diferentes cambios hasta que se produjo un híbrido que contiene un genoma completamente recodificado.

La E. coli recodificada genéticamente tiene la ventaja adicional de ser resistentes a muchos virus. Dado a que los virus incorporan sus genes en el ADN de una célula huésped para producir proteínas virales, los genes virales que contienen el codón de final UAG ya no pueden ser leídos.

Esto es útil, ya que la producción industrial de proteínas utilizando bacterias para producir biocombustibles o la penicilina, por ejemplo, a menudo se contamina, es decir, cubas enteras de bacterias tienen que ser desechadas.

Lo que es más, hay poco peligro de que las E. coli recodificadas intercambien genes con su contraparte natural, si alguna vez una GROs se escapara a la naturaleza. Los codones de final reasignados serían leídos como codones de final normales en las células naturales, dando como resultado la terminación prematura de la producción de proteínas. Los estudios preliminares sugieren que las GROs no pueden crecer en ausencia del aminoácido no natural para las que las ha diseñado a incorporar, añadiendo otro nivel de seguridad.

Fuente: Varios medios. Aportado por Eduardo J. Carletti

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