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Se desarrolla la primera levadura con porciones de cromosomas sintéticos

Hace un poco más de un año, el biólogo Craig Venter sorprendió al mundo al desarrollar el primer microorganismo capaz de vivir con un genoma elaborado en un laboratorio, siendo el mayor avance de la biología sintética hasta la fecha. Ahora, un grupo de investigadores de la Universidad Johns Hopkins (EEUU) han dado otro gran paso desarrollando la primera célula eucariota con un par de cromosomas semi-sintéticos según reportaron hoy en Nature.

levadura

En mayo del 2010, el equipo del biólogo Craig Venter sintetizó químicamente el genoma completo de una bacteria sencilla llamada Mycoplasma mycoides, y lo ensambló dentro del citoplasma de otra bacteria, Mycoplasma capricolum. Esta bacteria, a pesar de tener un genoma sintético, era completamente funcional, creciendo y dividiéndose como cualquier otra bacteria. Sin dudas, este trabajo es considerado como un hito dentro del campo de la biología sintética, la cual pretende desarrollar organismos vivos a medida, con funciones biológicas especiales —que no pueden ser encontrados de forma natural— para el desarrollo de nuevos productos y servicios (Ej. producción de nuevos fármacos y biomateriales a escala industrial, biorremediación de áreas contaminadas con sustancias tóxicas, etc.).

Ahora, un grupo de investigadores liderados por el Dr. Jef Boeke de la Escuela de Medicina de la Universidad Johns Hopkins en Baltimore (EEUU), desarrollaron una levadura con dos cromosomas parcialmente sintéticos: el brazo derecho del cromosoma 9 (synIXR) y el brazo izquierdo del cromosoma 6 (semi-synVIL).

Se puede decir que este trabajo es más complejo que el realizado por Venter ya que las levaduras son organismos eucariotas, por lo tanto, poseen un genoma mucho más largo y complejo, asociado con distintas proteínas que se encargan de empaquetarlo y formar los diferentes cromosomas. Además, el ADN de un eucariota está formado tanto por secuencias codificantes como no codificantes y cada gen está compuesto por regiones que llegan a expresarse en proteínas (exones) y regiones que no (intrones).

Lo primero que hizo el equipo de Boeke fue diseñar en una computadora cada uno de los dos fragmentos sintéticos usando la secuencia genética original como molde. Para ello decidieron remover las secuencias altamente repetitivas, tales como: los transposones y retrotransposones, las regiones subteloméricas, y los genes que codifican para los ARN de transferencia, todos ellos caracterizados por desestabilizar el genoma. También cambiaron los codones de terminación de la traducción TAG por TAA, el cual permitirá introducir aminoácidos artificiales más adelante. Además, les insertaron una región genética llamada LoxPSym que promueve las modificaciones genéticas a través de la recombinasa Cre, y unas etiquetas que faciliten la identificación de los genes del cromosoma sintético mediante una PCR.

En base al diseño elaborado en la computadora, los investigadores hicieron la síntesis química del brazo derecho del cromosoma 9 (synIXR, Fig. a) —que con un tamaño de ~90Kb corresponde al 20% de la longitud total del cromosoma— y de la región telomérica del brazo izquierdo del cromosoma 6 (semi-synVIL, Fig. b) —que con un tamaño de ~30Kb corresponde al 16% de la longitud total del cromosoma. [Dale click a la imagen para ampliarla].

sintetic_cromosomea. Estructura de la región synIXR. b. Estructura de la región semi-synVIL. Leyenda: Las regiones verdes indican las etiquetas usadas para identificar la presencia del gen mediante una PCR, los rombos verdes indican la posición de las regiones de recombinación LoxPsym y las X indican los elementos que fueron removidos.

Estas secuencias sintéticas fueron introducidas en las levaduras silvestres y poco después pasaron a reemplazar a las secuencias originales, obteniéndose así dos cromosomas semi-sintéticos. Las características morfológicas (tamaño y forma de las colonias) y fisiológicas (consumo de los nutrientes y niveles de expresión de los genes) en las levaduras modificadas fueron normales, demostrando así que es posible integrar secuencias sintéticas en el genoma de un organismo eucariota sin una reducción apreciable de su aptitud biológica (fitness).

Finalmente, los investigadores demostraron si la incorporación de los 43 sitios LoxPSym promovían las modificaciones genéticas mediante el sistema SCRaMbLE (synthetic chromosome rearrangement and modification by loxP-mediated evolution, traducción libre: Evolución por modificación y rearreglo del cromosoma sintético mediado por los sitios LoxP o EpMyRdCSmplSL Mezcla). Para ello introdujeron una versión del gen que codifica para la recombinasa Cre —responsable de la recombinación a nivel de los sitios LoxP— que sólo se activaba en presencia de la hormona estradiol.

Cuando se le aplicó la hormona, las levaduras mostraron un alto grado de mutaciones, principalmente inversiones, deleciones y otras combinaciones genéticas, que reducían la viabilidad de las células pero que aumentaban la diversidad fenotípica y la heterogeneidad genética de las mismas, demostrando así el potencial mutagénico del sistema SCRaMbLE para el desarrollo de variedades de organismos mejorados. Imagínense este concepto como una partida de póker, que de todas las combinaciones posibles, de vez en cuando te tocará una ganadora. Si el SCRaMbLE puede ser optimizado para activarse ante determinados estímulos o ser más específico, se podría hablar ya de un proceso de evolución dirigida, donde tendríamos la capacidad de manipular las combinaciones genéticas a nuestro beneficio.

Sin dudas, este ha sido otro gran avance en el campo de la biología sintética. No existen ningún impedimento —por lo menos teórico— para desarrollar una levadura con sus 16 cromosomas sintéticos. La mayor dificultad tal vez sería optimizar el genoma, tal como se hizo en este experimento, para que sea mucho más estable que su versión original. De dominar la técnica algún día, ya podríamos empezar a hablar de diseño de organismos a medida, con funciones biológicas aprovechables en todas las áreas de la industria, medicina, ambiente y tecnología, así que estoy seguro que muy pronto hablaremos de otros boom de la biología sintética.


Referencia:

ResearchBlogging.orgDymond, J., Richardson, S., Coombes, C., Babatz, T., Muller, H., Annaluru, N., Blake, W., Schwerzmann, J., Dai, J., Lindstrom, D., Boeke, A., Gottschling, D., Chandrasegaran, S., Bader, J., & Boeke, J. (2011). Synthetic chromosome arms function in yeast and generate phenotypic diversity by design Nature DOI: 10.1038/nature10403

Esta entrada participa en el Carnaval de Biología de Verano albergado en el blog ¡Jindetrés, sal!

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Comentarios

  1. Jolines, cada vez estamos más cerca de protagonizar una novela de ciencia ficción. De ser así, las levaduras artificiales nos devorarían en poco tiempo.

    Me parece fascinante, pero aun así me produce cierto escepticismo pensar que se pueda jugar así al tuntún con los genes, como si fuera una partida de scrabble, sin trastocar la mayoría de cosas importantes para el bicho. Tal vez las levaduras puedan seguir tirando p'alante, pero vamos, que debe de haber todavía mucho camino por delante para "dirigir" correctamente estas aplicaciones.

    Gracias por la nueva entrada!

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