Todas las secuencias genómicas de organismos conocidos en todo el mundo se almacenan en una base de datos que pertenece al Centro Nacional de Información Biotecnológica en los Estados Unidos. A partir de hoy, la base de datos tiene una entrada adicional: Caulobacter ethensis -2.0. Es el primer genoma del mundo de un organismo vivo completamente generado por computadora, desarrollado por científicos de ETH Zurich. Sin embargo, debe enfatizarse que aunque el genoma para C. ethensis -2.0 se produjo físicamente en forma de una molécula de ADN muy grande, todavía no existe un organismo correspondiente.
C. ethensis -2.0 se basa en el genoma de una bacteria de agua dulce bien estudiada e inofensiva Caulobacter crescentus , que es una bacteria natural que se encuentra en el agua de manantial, ríos y lagos en todo el mundo. No causa ninguna enfermedad. C. crescentus también es un organismo modelo utilizado comúnmente en los laboratorios de investigación para estudiar la vida de las bacterias. El genoma de esta bacteria contiene 4.000 genes. Los científicos demostraron previamente que solo unos 680 de estos genes son cruciales para la supervivencia de la especie en el laboratorio.Las bacterias con este genoma mínimo son viables en condiciones de laboratorio.
Beat Christen, profesor de biología experimental de sistemas en ETH Zurich, y su hermano, Matthias Christen, químico de ETH Zurich, tomaron el genoma mínimo de C. crescentus como punto de partida. Se propusieron sintetizar químicamente este genoma desde cero, como un cromosoma continuo en forma de anillo. Tal tarea fue vista anteriormente como un verdadero tour de force: el genoma bacteriano sintetizado químicamente presentado hace once años por elEl pionero estadounidense de la genética Craig Venter fue el resultado de diez años de trabajo de 20 científicos, según informes de los medios. Se dice que el costo del proyecto ascendió a 40 millones de dólares.
Racionalizar el proceso de producción
Mientras que el equipo de Venter hizo una copia exacta de un genoma natural, los investigadores de ETH Zurich alteraron radicalmente su genoma usando un algoritmo informático. Su motivación era doble: una, para hacer que sea mucho más fácil producir genomas, y dos, para abordar los problemas fundamentales.preguntas de biología.
Para crear una molécula de ADN tan grande como un genoma bacteriano, los científicos deben proceder paso a paso. En el caso de Caulobacter genoma, los científicos de ETH Zurich sintetizaron 236 segmentos del genoma, que posteriormente reconstruyeron juntos. "La síntesis de estos segmentos no siempre es fácil", explica Matthias Christen. "Las moléculas de ADN no solo poseen la capacidad de adherirse a otras moléculas de ADN"., pero dependiendo de la secuencia, también pueden torcerse en bucles y nudos, lo que puede dificultar el proceso de producción o hacer que la fabricación sea imposible ", explica Matthias Christen.
secuencias de ADN simplificadas
Para sintetizar los segmentos del genoma de la manera más simple posible y luego juntar todos los segmentos de la manera más simplificada, los científicos simplificaron radicalmente la secuencia del genoma sin modificar la información genética real a nivel de proteínas. Existe una amplia latitud parala simplificación de los genomas, porque la biología tiene redundancias incorporadas para almacenar información genética. Por ejemplo, para muchos componentes de proteínas aminoácidos, hay dos, cuatro o incluso más posibilidades de escribir su información en el ADN.
El algoritmo desarrollado por los científicos de ETH Zurich hace un uso óptimo de esta redundancia del código genético. Utilizando este algoritmo, los investigadores calcularon la secuencia de ADN ideal para la síntesis y construcción del genoma, que finalmente utilizaron para su trabajo.
Como resultado, los científicos sembraron muchas pequeñas modificaciones en el genoma mínimo, que en su totalidad son, sin embargo, impresionantes: más de una sexta parte de las 800,000 letras de ADN en el genoma artificial fueron reemplazadas, en comparación con las "naturales""Genoma mínimo". A través de nuestro algoritmo, hemos reescrito 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 proteína sigue siendo la misma ", dice Beat Christen.
prueba de tornasol para genética
El genoma reescrito también es interesante desde una perspectiva biológica. "Nuestro método es una prueba de fuego para ver si los biólogos hemos entendido correctamente la genética, y nos permite resaltar posibles lagunas en nuestro conocimiento", explica Beat Christen. Naturalmente, elel genoma reescrito puede contener solo información que los investigadores realmente han entendido. La posible información adicional "oculta" que se encuentra en la secuencia de ADN y que los científicos aún no han entendido, se habría perdido en el proceso de creación del nuevo código.
Para fines de investigación, los científicos produjeron cepas de bacterias que contenían tanto las que ocurren naturalmente Caulobacter genoma y también segmentos del nuevo genoma artificial. Al desactivar ciertos genes naturales en estas bacterias, los investigadores pudieron probar las funciones de los genes artificiales. Probaron cada uno de los genes artificiales en un proceso de varios pasos.
En estos experimentos, los investigadores descubrieron que solo alrededor de 580 de los 680 genes artificiales eran funcionales. "Con el conocimiento que hemos adquirido, sin embargo, será posible que podamos mejorar nuestro algoritmo y desarrollar una versión genómica completamente funcional".3.0 ", dice Beat Christen.
Enorme potencial para la biotecnología
"Aunque 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 determinar las especificaciones de diseño en la computadora de acuerdo connuestros objetivos, y luego construirlos ", dice Matthias Christen. Y esto se puede lograr de una manera relativamente directa, como enfatiza Beat Christen:" Lo que tomó diez años con el enfoque de Craig Venter, nuestro pequeño grupo logró con nuestra nueva tecnología en el tiempomarco de un año con costos de fabricación de 120,000 francos suizos "
"Creemos que también pronto será posible producir células bacterianas funcionales con tal genoma", dice Beat Christen. Tal desarrollo tendría un gran potencial. Entre las posibles aplicaciones futuras están los microorganismos sintéticos que podrían utilizarse en biotecnología parala producción de moléculas o vitaminas complejas farmacéuticamente activas, por ejemplo. La tecnología puede emplearse universalmente para todos los microorganismos, no solo Caulobacter . Otra posibilidad sería la producción de vacunas de ADN.
"A pesar de lo prometedores que pueden ser los resultados de la investigación y las posibles aplicaciones, exigen una discusión profunda en la sociedad sobre los propósitos para los que se puede usar esta tecnología y, al mismo tiempo, sobre cómo se pueden prevenir los abusos", dice Beat ChristenTodavía no está claro cuándo se producirá la primera bacteria con un genoma artificial, pero ahora está claro que puede y se desarrollará. "Debemos usar el tiempo que tenemos para discusiones intensas entre los científicos, y también en la sociedaden su conjunto. Estamos listos para contribuir a esa discusión, con todos los conocimientos que poseemos ".
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