Uno de los socios industriales más antiguos de la humanidad es la levadura, un microbio familiar que permitió a las sociedades tempranas elaborar cerveza y pan de levadura y faculta a las modernas para sintetizar biocombustibles y realizar investigaciones biomédicas clave. La levadura sigue siendo un agente biológico vital, pero nuestra capacidad de explorar yinfluencia su actividad genómica se ha retrasado.
en un nuevo artículo en Comunicaciones de la naturaleza , los investigadores de la Universidad de Illinois describen cómo su integración exitosa de varias tecnologías de vanguardia - creación de componentes genéticos estandarizados, implementación de herramientas de edición de genoma personalizables y automatización a gran escala de tareas de laboratorio de biología molecular - mejorará nuestra capacidad paratrabajar con levadura. Los resultados de su nuevo método demuestran su potencial para producir nuevas y valiosas cepas de levadura para uso industrial, así como para revelar una comprensión más sofisticada del genoma de la levadura.
"El objetivo del trabajo era realmente desarrollar una herramienta de ingeniería a escala del genoma para la levadura ... la ingeniería metabólica tradicional centrada en unos pocos genes y las pocas herramientas de ingeniería a escala del genoma existentes solo son aplicables a bacterias, no a organismos eucariotascomo la levadura ", dijo el presidente de ingeniería química y biomolecular Steven L. Miller, Huimin Zhao, quien dirigió el estudio." Una segunda innovación es el uso de conceptos de biología sintética, la modularización de las partes y la integración con un sistema robótico, por lo quepuede hacerlo en alto rendimiento "
El equipo se centró en la levadura en parte debido a sus importantes aplicaciones modernas; las levaduras se utilizan para convertir los azúcares de las materias primas de biomasa en biocombustibles como el etanol y productos químicos industriales como el ácido láctico, o para descomponer los contaminantes orgánicos. Debido a la levaduray otros hongos, como los humanos, son eucariotas, organismos con una estructura celular compartimentada y mecanismos complejos para el control de su actividad genética, el estudio de la función del genoma de la levadura también es un componente clave de la investigación biomédica.
"En ciencia básica, se estudia mucha biología eucariota fundamental en la levadura", dijo Tong Si, investigador del Instituto Carl R. Woese de Investigación en Biología Genómica. "Las personas tienen una comprensión limitada de estos sistemas complicados. Aunque existen aproximadamente6,000 genes en la levadura, la gente probablemente sabe menos de 1,000 por sus funciones; todos los demás, la gente no lo sabe "
El grupo dio el primer paso hacia su objetivo de una nueva estrategia de ingeniería para la levadura al crear lo que se conoce como una biblioteca de ADNc: una colección de más del 90% de los genes del genoma de la levadura de panadería Saccharomyces cerevisiae, organizada dentro deun segmento personalizado de ADN para que cada gen sea, en una versión, hiperactivo dentro de una célula de levadura, y en una segunda versión, con actividad reducida.
Zhao y sus colegas examinaron la capacidad del sistema CRISPR-Cas, un conjunto de moléculas tomadas de una forma de sistema inmune en bacterias CRISPR significa repeticiones palindrómicas cortas agrupadas regularmente entre espacios, que describen una característica de este sistema en genomas bacterianos.Este sistema permitió a Zhao hacer cortes precisos en el genoma de la levadura, en el que las partes genéticas estandarizadas de su biblioteca podrían insertarse.
"La primera vez que hicimos esto, en 2013, no hubo CRISPR... Lo mejor que pudimos obtener fue 1% de las células modificadas en una sola ejecución", dijo Si. "Luchamos un poco en eso, y cuandoCRISPR salió, eso funcionó. Lo conseguimos al 70% [células modificadas], así que eso fue muy importante ".
Con las partes moduladoras de la actividad genética que se integran en el genoma con tan alta eficiencia, los investigadores pudieron generar aleatoriamente muchas cepas diferentes de levadura, cada una con su propio conjunto único de modificaciones. Estas cepas fueron sometidas a procesos de selección artificial para identificar esasque tenía rasgos deseables, como la capacidad de sobrevivir a la exposición a los reactivos utilizados en el proceso de producción de biocombustibles.
Este proceso de selección fue muy ayudado por la Fundición Biológica de Illinois para la Biofabricación Avanzada iBioFAB, un sistema robótico que realiza la mayor parte del trabajo de laboratorio descrito anteriormente de forma automática, incluida la selección de cepas de levadura prometedoras. El uso de iBioFAB aceleró enormementetrabajo, permitiendo la creación y prueba simultánea de muchas cepas únicas. El iBioFAB fue concebido y desarrollado por el tema de investigación Biosystems Design en el Instituto Carl R. Woese de Biología Genómica IGB, dirigido por Zhao.
Con el apoyo del Grupo de Computación Biológica de Alto Rendimiento en Illinois, Zhao, Si y sus colegas analizaron los genomas modificados de sus cepas de levadura más prometedoras. Identificaron combinaciones de genes cuyas actividades alteradas contribuyeron a los rasgos deseables; las funciones de algunos de estoslos genes eran previamente desconocidos, lo que demuestra la capacidad de la técnica para generar nuevos conocimientos biológicos.
"Creo que la diferencia clave entre este método y las otras estrategias de ingeniería metabólica existentes en la levadura es realmente la escala", dijo Zhao. "Las estrategias actuales de ingeniería metabólica se centran en unos pocos genes, docenas de genes como máximo.... es muy intuitivo. Con esto podemos explorar todos los genes, podemos identificar muchos objetivos que no se pueden intuir ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto Carl R. Woese de Biología Genómica, Universidad de Illinois en Urbana-Champaign . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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