El primer genoma bacteriano diseñado por computadora

Caulobacter crescentus: una bacteria segura que vive en agua dulce en todo el mundo

Todos los genomas conocidos de organismos se almacenan en una base de datos propiedad del Centro Nacional de Información Biotecnológica en los Estados Unidos. Ahora la base de datos tiene una entrada: Caulobacter ethensis-2.0 . Este es el primer genoma de organismos vivos completamente computarizado del mundo, desarrollado por científicos de ETH Zurich . Debe enfatizarse que, aunque el genoma de Caulobacter ethensis-2.0 se obtuvo físicamente en forma de una molécula de ADN muy grande, el organismo correspondiente aún no existe.

Caulobacter ethensis-2.0 se basa en el genoma de la bacteria de agua dulce Caulobacter crescentus , bien estudiada y segura, que se encuentra naturalmente en aguas de manantiales, ríos y lagos de todo el mundo. No causa ninguna enfermedad. Caulobacter crescentus es también un organismo modelo utilizado comúnmente en laboratorios de investigación para estudiar la vida de las bacterias. El genoma de esta bacteria contiene 4000 genes. Los científicos demostraron previamente que solo alrededor de 680 de estos genes son cruciales en la supervivencia de las bacterias en el laboratorio.

Beat Kristen, profesor de biología experimental de sistemas en ETH Zurich, y su hermano Matthias Kristen, químico en ETH Zurich, tomaron el genoma mínimo de Caulobacter crescentus como base. Pretendían sintetizar químicamente este genoma desde cero como un cromosoma en anillo continuo. Esta tarea se considera realmente difícil: un genoma bacteriano sintetizado químicamente, introducido hace 11 años por el pionero estadounidense de la genética Craig Venter , fue el resultado de 10 años de trabajo de 20 científicos. Dicen que el proyecto costó $ 40 millones.

Agilice el proceso de ensamblaje

Mientras que el grupo Venter hizo una copia exacta del genoma natural, los científicos de ETH Zurich alteraron radicalmente el genoma utilizando un algoritmo informático. Su motivación era doble: una para facilitar la síntesis de genomas y la segunda para resolver problemas fundamentales de biología.

Para crear una molécula de ADN del tamaño de un gen bacteriano, los científicos deben actuar paso a paso. En el caso del genoma de Caulobacter , los científicos de ETH Zurich sintetizaron 236 fragmentos del genoma, que posteriormente cosieron. "La síntesis de estos fragmentos no siempre es simple", explica Matthias Kristen. "Las moléculas de ADN no solo tienen la capacidad de adherirse a otras moléculas de ADN, sino que, dependiendo de la secuencia, también pueden retorcerse en bucles y nudos, lo que puede complicar el proceso de síntesis o hacer que sea imposible", explica Mathias Kristen.

Genomas Simplificados

Para sintetizar fragmentos del genoma de la manera más simple, y luego reunir todos los fragmentos de la manera más correcta, los científicos simplificaron radicalmente la secuencia del genoma sin cambiar la información genética real (a nivel de proteínas). Hay muchas posibilidades para simplificar los genomas porque la biología tiene reservas incorporadas para almacenar información genética. Por ejemplo, muchos aminoácidos tienen dos, cuatro o más posibilidades de escribir su información en el ADN.

Un algoritmo desarrollado por científicos de ETH Zurich hace un uso óptimo de esta redundancia del código genético. Usando este algoritmo, calcularon la secuencia de ADN más económica para sintetizar y construir el genoma, que utilizaron en su trabajo.



Genoma in vitro de Caulobacter ethensis-2.0

Como resultado, los científicos hicieron muchos pequeños cambios en el genoma mínimo, lo cual, sin embargo, es impresionante: más de una sexta parte de las 800,000 letras de ADN en el genoma artificial fueron reemplazadas en comparación con el genoma mínimo "natural". "Gracias a nuestro algoritmo, reescribimos completamente nuestro genoma en una nueva secuencia de letras de ADN que ya no se parece a la secuencia original. Sin embargo, la función biológica a nivel de proteínas se ha conservado ", dice Beat Kristen.

Prueba de tornasol en genética

El gen reescrito también es interesante desde un punto de vista biológico. "Nuestro método es una prueba de fuego para ver si los biólogos entendemos la genética correctamente, y nos permite resaltar posibles lagunas en nuestro conocimiento", explica Beat Kristen. Naturalmente, el genoma transcrito puede contener solo información que los investigadores realmente entendieron. La posible información adicional "oculta" que se encuentra en la secuencia de ADN y que aún no ha sido entendida por los científicos se perdería en el proceso de síntesis del nuevo código.

Los científicos han cultivado cepas de bacterias que contienen tanto el genoma natural de Caulobacter como fragmentos del nuevo genoma artificial. Al deshabilitar algunos genes naturales en estas bacterias, los científicos pudieron probar la función de los genes artificiales. Probaron cada uno de los genes artificiales en un proceso de varios pasos.

En estos experimentos, los científicos descubrieron que solo 580 de los 680 genes artificiales eran funcionales. "Con conocimiento, podemos mejorar nuestro algoritmo y desarrollar una versión completamente funcional del genoma 3.0", dice Beat Kristen.

Potencial gigante en biotecnología

"A pesar de que la versión actual del genoma aún no es perfecta, nuestro trabajo muestra que los sistemas biológicos se construyen de una manera tan simple que en el futuro podremos desarrollar especificaciones de proyecto en una computadora de acuerdo con nuestros objetivos, y luego construirlas". - dice Matias Kristen. Y esto se puede obtener de una manera relativamente simple, como enfatiza Beat Kristen: "Lo que le tomó diez años a Craig Venter, nuestro pequeño grupo se desempeñó utilizando nuestra nueva tecnología en un año con costos de solo 120,000 francos suizos".

"Creemos que pronto también será posible producir células bacterianas funcionales con tal genoma", dice Beat Kristen. Tal desarrollo tendrá un gran potencial. Entre los posibles usos futuros se encuentran los microorganismos sintéticos que pueden usarse en biotecnología, por ejemplo, en la síntesis de moléculas o vitaminas complejas farmacéuticamente activas. La tecnología se puede aplicar universalmente a todos los microorganismos, y no solo a Caulobacter . Otra posibilidad sería la producción de vacunas de ADN.

"No importa cuán prometedores sean los resultados de la investigación y sus posibles aplicaciones, requieren una comprensión profunda de los propósitos para los que se puede usar esta tecnología y, al mismo tiempo, cómo prevenir el abuso", dice Beat Kristen. Todavía no está claro cuándo se obtendrá la primera bacteria con un genoma artificial, pero ahora está claro que puede obtenerse y desarrollarse. “Necesitamos usar el tiempo que tenemos para intensas discusiones entre los científicos, así como en la sociedad en general. Estamos listos para contribuir a esta discusión con todos los conocimientos que tenemos ”.