2024 Autor: Adelina Croftoon | [email protected]. Última modificación: 2023-12-17 02:08
Los biólogos lograron crear bacteria con genoma sintéticoeliminando de él todos los genes de los que se puede prescindir.
Un microorganismo solo puede existir en las condiciones ideales de laboratorio para él, por lo que difícilmente puede representar un peligro para quienes sospechan de tales experimentos. "Lenta.ru" se familiarizó con la investigación revolucionaria y descubrió por qué sus resultados son tan importantes.
Las células son la unidad fundamental de un organismo vivo. Su existencia, a su vez, depende del genoma: la totalidad de todo el material hereditario, que incluye genes y ADN que no codifica proteínas. El genoma contiene información encriptada que determina la composición química de la célula, el metabolismo, su estructura, reproducción y mucho más.
Cada genoma es una especie de instrucción mediante la cual se llevan a cabo procesos vitales, tanto comunes a todos los organismos vivos de la Tierra como específicos de especies específicas.
El genoma interactúa activamente con el citoplasma de la célula. Por un lado, determina las funciones de sus componentes individuales y, por otro, algunos de estos componentes regulan por sí mismos la actividad de los genes, acelerando o suprimiendo la producción de proteínas vitales.
Se puede pensar en el genoma como parte del software de la célula. La secuenciación es un método mediante el cual puede determinar la composición química del ADN, le permite descifrar las instrucciones codificadas en el genoma y determinar qué funciones realiza una pieza particular de ADN.
Los científicos han estudiado durante muchos años la posibilidad de simplificar el genoma de una célula bacteriana para que solo queden genes y ADN regulador, que proporcionan funciones básicas - crecimiento y reproducción - en condiciones ideales de laboratorio. En la naturaleza, los organismos con tal genoma no podrían sobrevivir, ya que tendrían que adaptarse a un entorno en constante cambio, y se les han eliminado los genes que proporcionan tal plasticidad.
Las bacterias típicas como Bacillus subtilis y Escherichia coli son muy adaptables porque portan genes que solo se activan bajo ciertas condiciones. El tamaño del genoma codificante de estas bacterias consta de cuatro a cinco mil genes. Otras bacterias prefieren un entorno estable que no cambie durante milenios, por lo que la evolución "apaga" el exceso de ADN para siempre.
Etapas de minimización del genoma de M. mycoides
En 1984, el biofísico estadounidense Harold Morowitz sugirió que los micoplasmas podrían ser un objeto conveniente para estudiar los fundamentos básicos de la vida. Los micoplasmas son una clase de bacterias que son los organismos celulares conocidos más simples. La secuenciación del genoma de Mycoplasma genitalium se completó en 1995, pero la determinación de las funciones de regiones específicas siguió siendo un desafío.
Los micoplasmas generalmente se desarrollan en entornos ricos en nutrientes, como células animales y humanas parasitadas. Este entorno es relativamente estable, por lo que tienen el genoma más pequeño conocido entre los organismos que se reproducen de forma independiente.
En 1996, los bioinformáticos Evgeny Kunin y Arkady Mushegyan compararon los genomas de dos bacterias: Haemophilus influenzae (contiene 1815 genes) y M.genitalium (525 genes, el genoma micoplásmico más pequeño conocido). Pudieron identificar 240 genes que se encontraron en ambas bacterias y cubrieron la mayoría de las funciones celulares básicas.
Los científicos les han agregado 16 genes adicionales necesarios para la implementación de procesos metabólicos vitales, y recibieron lo que llamaron "el conjunto de genes más pequeño posible".
En 1999, un equipo de biólogos dirigido por Craig Venter, utilizando un método llamado mutagénesis global de transposones, refinó el número de genes del conjunto más pequeño. Los científicos se turnaron para apagar los genes de M. genitalium, insertando transposones, fragmentos de ADN "saltarines" que pueden moverse y reproducirse dentro del genoma.
Si la bacteria sobrevivió con el gen desactivado, entonces se consideró insignificante para su vida. Resultó que el conjunto de genes más pequeño posible debería incluir al menos 375 genes. Al menos, porque este método tiene un inconveniente: si un gen tiene un "doble", entonces cuando los apagas a su vez, la célula sobrevive naturalmente, pero si ambos a la vez, morirá.
Casi al mismo tiempo, los científicos comenzaron a desarrollar métodos para crear un genoma artificial con el fin de recrear un conjunto mínimo de genes. Reemplazaron el M. genitalium que se multiplicaba insuficientemente rápidamente por M. mycoides, que es más adecuado para experimentos de laboratorio. El tamaño del genoma de este último es de unos 900 genes, o, en otras palabras, más de un millón de bases emparejadas, los "bloques de construcción" de una doble hebra de ADN. En 2010, los biólogos obtuvieron la cepa JCVI-syn1.0, un micoplasma con un genoma sintetizado químicamente.
Para ello, los científicos insertaron fragmentos individuales de ADN de M. mycoides en la célula de la bacteria receptora, cuyo propio genoma había sido previamente destruido. JCVI-syn1.0 era casi una copia exacta de M. mycoides, excepto por la presencia de ADN "técnico" (marcadores genéticos), que se utilizó como "bosques" para la construcción del genoma.
Comparación de las características de crecimiento de las colonias JCVI-syn1.0 y JCVI-syn3.0
En el nuevo trabajo, el equipo de biólogos utilizó datos obtenidos previamente por ellos mediante el método del transposón, así como información de otros artículos que evaluaron la viabilidad de bacterias con la eliminación gradual de secciones de ADN de ellas.
Además, para excluir los "dobles", los investigadores determinaron la función de los genes comparándolos con genes similares, cuyo propósito ya se conocía. Por tanto, todos los genes de M. mycoides se clasificaron como esenciales o no esenciales. Basándose en toda la información disponible y mediante constantes pruebas experimentales, los científicos pudieron determinar el genoma mínimo.
El estudio completo se puede presentar como un ciclo. En cada etapa, los biólogos sintetizaron varios genomas incompletos de JCVI-syn1.0 en células de levadura, eliminándoles genes que eran hipotéticamente insignificantes. Luego se trasplantaron los genomas a células receptoras de M. capricolum, tras lo cual se determinó la viabilidad de los microorganismos obtenidos.
Después de eso, los científicos sobreestimaron la importancia de genes específicos y el ciclo comenzó de nuevo. Al final, los investigadores obtuvieron una nueva cepa de bacteria, JCVI-syn3.0, cuyo genoma se redujo a la mitad en comparación con la versión anterior y ascendió a 531 mil pares de bases. Codifica 438 proteínas y 35 tipos de ARN reguladores, 437 genes en total.
Los científicos han descubierto que el 49 por ciento de los genes restantes han conservado su función desde la época del último ancestro común. Actualmente se desconoce el papel de los otros 149 genes, aunque sus homólogos potenciales (genes de origen común) se han encontrado en otros organismos y codifican proteínas cuyas funciones aún no se han dilucidado.
Por otro lado, han sobrevivido casi todos los genes, cuyo trabajo se asocia a la transcripción y regulación del ADN, el metabolismo del ARN, el plegamiento de proteínas, la síntesis de ribosomas, así como la duplicación del ADN, su restauración y otros mecanismos genéticos que podrían existen desde los primeros tiempos del desarrollo de la vida.
Las cadenas dobles de ADN están formadas por bases pareadas, en cuya secuencia se codifica información sobre proteínas o ARN reguladores.
En total, los biólogos han eliminado 428 genes. Las funciones de la mayoría de ellos también se desconocen, pero 73 genes eran elementos genéticos móviles (secuencias de ADN que se movían dentro del genoma) y regiones del genoma que codifican enzimas que hidrolizan los ácidos nucleicos.
También eliminaron 72 genes responsables de la síntesis de lipoproteínas, proteínas involucradas en el metabolismo de los lípidos. Dado que el medio nutritivo en el laboratorio proporcionó a las células todas las sustancias necesarias, no hubo necesidad de genes involucrados en el transporte, catabolismo, descomposición de proteínas y otros procesos metabólicos que se volvieron redundantes.
Un resultado importante del estudio no es que fuera posible obtener un "núcleo genético universal de la vida"; esto es fundamentalmente imposible de hacer, ya que en diferentes organismos los genes del conjunto más pequeño posible no solo pueden ser diferentes, sino que también tienen diferentes orígenes.
El principal significado del trabajo es que se creó una plataforma universal para estudiar las funciones básicas de la vida y estudiar la estructura del genoma. Además, el método en sí, desarrollado por científicos para la síntesis de JCVI-syn3.0, le permite crear nuevas construcciones genómicas, así como diseñar células modelo, cuya función de cada gen es bien conocida.
Según los investigadores, esto brindará la oportunidad de crear vías metabólicas para la síntesis de fármacos y productos químicos industriales.
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