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Cómo hacer una célula artificial
El mes pasado, los investigadores del Instituto J. Craig Venter anunciaron que habían creado la primera célula sintética juntando un genoma hecho de productos químicos embotellados y trasplantándolo a una célula receptora. El logro histórico representa un nuevo nivel de control sobre la sustancia de la vida a nivel molecular y que podría conducir a formas de fabricar células que produzcan vacunas en grandes cantidades y combustibles más limpios.
Células sintéticas: Las colonias de bacterias que crecen en estas placas de Petri contienen un genoma modificado en una computadora y luego reconstruido en el laboratorio.
Aunque los investigadores enfatizan que pasarán años antes de que los científicos puedan demostrar el verdadero potencial de estas técnicas para diseñar la vida, ahora están utilizando los experimentos para aumentar la comprensión fundamental de la biología celular.
Durante un recorrido la semana pasada por las instalaciones del instituto en Rockville, MD, donde se están llevando a cabo los experimentos, los científicos explicaron que la célula sintética fue creada como resultado de un proyecto para aprender cómo hacer una célula con la cantidad mínima de genes posible. En Vivo. La esperanza es que al comprender los principios básicos de la vida celular, podamos hacer que las células produzcan más cosas, dice John Glass , profesor del instituto. Las células diseñadas para producir una sustancia química en particular la harán más eficiente si los investigadores pueden eliminar todos los demás procesos metabólicos no esenciales. Siempre quise saber cómo funcionan las células y ahora tenemos las herramientas, dice.
Una forma de averiguar cuál es el genoma mínimo sería comenzar con un microbio con el que sea fácil trabajar en el laboratorio, como la levadura o E. coli y elimine cada gen de uno en uno. Pero este proceso lleva mucho tiempo. En cambio, los científicos de Venter comienzan con una secuencia del genoma de una bacteria que ya tiene un genoma muy pequeño, la modifican en la computadora para agregar o eliminar genes, luego la sintetizan a partir de sustancias químicas, la trasplantan a una célula y observan cómo cambian. afectar la función de la célula. La construcción de un genoma de esta manera acelera la investigación del instituto sobre genomas mínimos, dice Daniel Gibson , profesor asociado del Venter Institute.
El primer paso para hacer una célula sintética es diseñar el genoma. Este proceso ocurre en la computadora, con la secuencia de 1.077.947 letras que componen el genoma de la bacteria. Mycoplasma mycoides . En sus experimentos de demostración iniciales, los investigadores eliminaron 15 genes. Y para crear una marca de agua que distinga el genoma sintético del natural, también hicieron adiciones. Los investigadores codificaron sus nombres, una URL, algunas citas y una dirección de correo electrónico en el alfabeto de cuatro letras del ADN y lo agregaron al genoma.
Hoy en día, sintetizar largos fragmentos de ADN en el laboratorio es caro y requiere mucho tiempo. Entonces, los investigadores usaron un programa de computadora para dividir el genoma en 1.100 piezas, cada una de aproximadamente 1.080 pares de bases, o letras, de largo. El programa de computadora agregó secuencias pegajosas en cada extremo de cada rebanada que permitirían volver a juntar las piezas. Luego, los investigadores enviaron estos 1.100 diseños a una empresa de síntesis de ADN.
Luego, los investigadores del instituto reclutan células de levadura para unir los 1.100 fragmentos en una sola pieza circular de ADN que forma el genoma sintético completo. Antes de que la levadura pueda hacer su trabajo, el grupo de Gibson debe hacer que los fragmentos de ADN sean aptos para la levadura. El grupo de Gibson primero agrega a cada conjunto de fragmentos de ADN una secuencia corta de ADN que tira de los fragmentos en un bucle y hace que los fragmentos sean amigables para las células de levadura que han sido tratadas para que sean susceptibles de devorar el ADN.
Gibson combina las células de levadura en solución con diez tipos de fragmentos de ADN, cada uno de los cuales forma una secuencia consecutiva del Micoplasma genoma. Las células de levadura hacen el trabajo de volver a unir los fragmentos. Este proceso se repite hasta que la levadura está juntando partes cada vez más grandes del genoma. Eventualmente, algunas de las células de levadura habrán formado un genoma sintético completo. Después de realizar pruebas para verificar que una colonia tiene todo el genoma bacteriano, los investigadores cultivan la levadura en un matraz para permitirles multiplicarse y producir el genoma en grandes cantidades.
El siguiente paso es extraer el genoma bacteriano sintético completo de la levadura y trasplantarlo a células bacterianas. Extraer el genoma de la levadura y transportarlo es la parte más complicada del proceso. El genoma del micoplasma es relativamente pequeño, pero es una molécula enorme. La fuerza cortante del agua que se mueve alrededor de las moléculas desnudas de ADN puede separarlo. Entonces, los investigadores inmovilizan el ADN en una pastilla de gel y lo llevan a otro laboratorio, donde se prepararon las células receptoras del trasplante. Las células receptoras, de la especie Mycoplasma capricolum , son parientes cercanos de las células cuyo genoma es la base del genoma sintético. Mediante ensayo y error, los investigadores han descubierto que hay una parte particular del ciclo de crecimiento y división de las células en la que es más probable que absorban el ADN extraño.
Lograr que las células receptoras adopten el genoma sintético es en parte una cuestión de suerte. Un investigador mezcla las células receptoras con una solución química para hacer que sus superficies sean fluidas y pegajosas, luego agrega las células a la solución de ADN. Una vez mezcladas, las células pegajosas comienzan a fusionarse entre sí. Para mantener una forma esférica a medida que aumenta su área de superficie, las células toman volumen de la solución que las rodea. Por casualidad, a medida que se fusionan, algunas de estas megacélulas incorporan copias del M. mycoides genoma.
Si se deja durante unas tres horas, las células con más de un genoma se dividirán, creando una mezcla de tipos de células. Aproximadamente una de cada 100.000 células tiene el genoma trasplantado, que contiene un gen de resistencia a los antibióticos. Cuando la solución celular se esparce sobre placas que contienen el antibiótico tetraciclina, solo sobreviven aquellas con el genoma trasplantado. Aunque inicialmente eran de una especie diferente, los M. mycoides el genoma toma el relevo para crear lo que los investigadores llaman una célula sintética.
Los investigadores ahora usarán estas técnicas para reducir gradualmente el genoma. Actualmente están usando software para diseñar nuevos genomas con varios genes eliminados, luego usan su técnica para sintetizarlos y trasplantarlos. Podemos probar una asombrosa cantidad de posibilidades en un experimento, dice Glass. Esto les permite determinar en cuestión de semanas en lugar de años qué sucede cuando, digamos, 10 genes en una vía particular se expresan en diferentes niveles o se eliminan.
El desarrollo de estas técnicas requirió entre $ 30 y $ 40 millones en fondos, principalmente de la empresa Synthetic Genomics. El costo principal de estos experimentos proviene del precio de la síntesis de ADN, que puede bajar a medida que más investigadores vean la promesa de este tipo de experimentos. Otros grupos no están haciendo esto debido al costo y porque los métodos han sido difíciles, pero me gustaría pensar que estamos simplificando los métodos, dice Gibson. Profesor de la Universidad de Boston James Collins está de acuerdo. A medida que bajan los costos, verá que varios laboratorios comienzan a sintetizar en esta escala. Si esta técnica se considera útil, llegaremos a los costos.