Los científicos han desarrollado las primeras células que pueden construir polímeros artificiales a partir de bloques de construcción que no se encuentran en la naturaleza, siguiendo las instrucciones que los investigadores codificaron en sus genes.
El estudio, dirigido por científicos del Laboratorio de Biología Molecular del Consejo de Investigación Médica MRC, en Cambridge, Reino Unido, también encontró que el genoma sintético hacía que las bacterias fueran completamente resistentes a la infección por virus.
Los científicos dicen que su investigación podría conducir al desarrollo de nuevos polímeros, moléculas grandes hechas de muchas unidades repetidas, como proteínas, plásticos y muchos medicamentos, incluidos los antibióticos, y facilitar la fabricación de medicamentos de manera confiable utilizando bacterias.
La investigación, publicada hoy en la revista ciencia , se basa en el trabajo pionero anterior del equipo cuando, en 2019, desarrollaron nuevas técnicas para crear el genoma sintético más grande de la historia: la construcción del genoma completo de la bacteria Escherichia coli E. coli desde cero.
utilizando los procesos de producción de proteínas naturales de las células
El objetivo de los científicos era utilizar su nueva tecnología para crear la primera celda que puede ensamblar polímeros completamente a partir de bloques de construcción que no se encuentran en la naturaleza.
Las proteínas son un tipo de polímero, por lo que los científicos se propusieron fabricar polímeros artificiales mediante la explotación de los procesos naturales de producción de proteínas de las células.
El código genético le indica a una célula cómo producir proteínas, que se construyen uniendo cadenas de bloques de construcción naturales, llamados aminoácidos.
El código genético en el ADN se compone de cuatro bases, representadas por las letras: A, T, C y G. Las cuatro letras en el ADN se 'leen' en grupos de tres letras, por ejemplo, 'TCG' -que se denominan 'codón'.
Cada codón le dice a la célula que agregue un aminoácido específico a la cadena; lo hace a través de moléculas llamadas 'ARNt'. Cada codón tiene un ARNt específico que lo reconoce y agrega el aminoácido correspondiente, por ejemplo: el ARNt quereconoce el codón 'TCG', trae el aminoácido serina.
Con cuatro letras en grupos de tres, hay 64 combinaciones posibles de letras; sin embargo, solo hay 20 aminoácidos naturales diferentes que las células usan comúnmente. Por lo tanto, varios codones diferentes pueden ser sinónimos: todos codifican el mismo aminoácido - por ejemplo: TCG, TCA, AGC y AGT todos codifican para serina.
También hay codones que le dicen a una célula cuándo dejar de producir una proteína, como TAG y TAA.
reescribiendo todo el genoma
Cuando, en 2019, el equipo del Laboratorio de Biología Molecular del MRC creó el primer genoma completo sintetizado desde cero para la bacteria comúnmente estudiada, E. coli, también aprovechó la oportunidad para simplificar su genoma.
Reemplazaron algunos de los codones con sus sinónimos: eliminaron cada instancia de TCG y TCA y los reemplazaron con los sinónimos AGC y AGT.
También eliminaron todas las instancias del codón de 'parada' TAG y lo reemplazaron con su sinónimo TAA.
Las bacterias modificadas ya no tenían los codones TCG, TCA y TAG en su genoma, pero aún podían producir proteínas normales y vivir y crecer.
resistente a virus
Ahora, en su última investigación, los científicos han modificado aún más las bacterias para eliminar las moléculas de ARNt que reconocen los codones TCG y TCA. Esto significa que, incluso si hay codones TCG o TCA en el código genético, la célulaya no tiene la molécula que puede leer esos codones.
Esto es fatal para cualquier virus que intente infectar la célula, porque los virus se replican inyectando su genoma en una célula y secuestrando la maquinaria de la célula. Los genomas del virus todavía contienen muchos codones TCG, TCA y TAG, pero las bacterias modificadas sonfaltan los ARNt para leer estos codones.
Cuando la maquinaria de las bacterias modificadas intenta leer el genoma del virus, falla cada vez que alcanza un codón TCG, TCA o TAG.
En este estudio, los investigadores infectaron sus bacterias con un cóctel de virus. Los virus mataron a las bacterias normales no modificadas, pero las bacterias modificadas fueron resistentes a la infección y sobrevivieron.
Hacer que las bacterias sean resistentes a los virus podría hacer que la fabricación de ciertos tipos de medicamentos sea más confiable y más barata. Muchos medicamentos, por ejemplo, los medicamentos de proteínas, como la insulina y las vacunas de subunidades de polisacáridos y proteínas, se fabrican mediante bacterias en crecimiento que contienen instrucciones paraproducir la droga.
El profesor Jason Chin, del Laboratorio de Biología Molecular del MRC, que dirigió el estudio, dijo: "Si un virus ingresa en las cubas de bacterias utilizadas para fabricar ciertos medicamentos, puede destruir todo el lote. Nuestras células bacterianas modificadas podrían superareste problema al ser completamente resistente a los virus. Debido a que los virus usan el código genético completo, las bacterias modificadas no podrán leer los genes virales ".
Fábricas vivas de polímeros sintéticos
Al crear bacterias con genomas sintéticos que no usan ciertos codones, los investigadores habían liberado esos codones para que estuvieran disponibles para otros fines, como la codificación de bloques de construcción sintéticos, llamados monómeros.
El profesor Chin dijo: "Este sistema nos permite escribir un gen que codifica las instrucciones para fabricar polímeros a partir de monómeros que no se encuentran en la naturaleza.
"Estas bacterias pueden convertirse en fábricas renovables y programables que producen una amplia gama de nuevas moléculas con propiedades novedosas, que podrían tener beneficios para la biotecnología y la medicina, incluida la fabricación de nuevos medicamentos, como nuevos antibióticos".
"Nos gustaría usar estas bacterias para descubrir y construir polímeros sintéticos largos que se pliegan en estructuras y pueden formar nuevas clases de materiales y medicamentos. También investigaremos aplicaciones de esta tecnología para desarrollar polímeros novedosos, como plásticos biodegradables, lo que podría contribuir a una bioeconomía circular ".
Diseñaron las bacterias para producir ARNt junto con monómeros artificiales, que reconocieron los codones recientemente disponibles TCG y TAG.
Insertaron secuencias genéticas con cadenas de codones TCG y TAG en el ADN de la bacteria. Estos fueron leídos por los ARNt alterados, que ensamblaron cadenas de monómeros sintéticos en la secuencia definida por la secuencia de codones en el ADN.
Las células se programaron para encadenar monómeros en diferentes órdenes cambiando el orden de los codones TCG y TAG en la secuencia genética.
Los polímeros compuestos de diferentes monómeros también se hicieron cambiando los monómeros que se acoplaron a los ARNt.
Los investigadores pudieron crear polímeros compuestos de hasta ocho monómeros unidos entre sí. Unieron los extremos de estos polímeros para formar macrociclos, un tipo de molécula que forma la base de algunos medicamentos, como ciertos antibióticos y medicamentos contra el cáncer..
En este estudio, los monómeros sintéticos se unieron por los mismos enlaces químicos que unen los aminoácidos en las proteínas, pero los investigadores están investigando cómo ampliar la gama de enlaces que se pueden utilizar en los nuevos polímeros.
La Dra. Megan Dowie, jefa de medicina molecular y celular del Medical Research Council, que financió el estudio, dijo: "El trabajo pionero del Dr. Chin en la expansión del código genético es un ejemplo realmente emocionante del valor del compromiso a largo plazo del MRC conciencia del descubrimiento. Investigaciones como esta, en biología sintética y de ingeniería, tienen un enorme potencial de impacto importante en la biofarmacia y otros entornos industriales ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Investigación e innovación del Reino Unido . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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