Cómo rehacer la vida

Con un movimiento preciso, Li Ma, un técnico del Instituto J. Craig Venter en Rockville, MD, pipetea una solución de color rojo cereza de células bacterianas en un vial que contiene una solución transparente de frágiles lazos de ADN. Estos bucles, las piezas de ADN más grandes jamás ensambladas en el laboratorio, son capaces de controlar todas las funciones ordinarias de una célula. Pero el ADN no se originó en ninguna bacteria: en cambio, los científicos lo reconstruyeron a partir de productos químicos embotellados. El proceso que desarrollaron recientemente para hacer esto es el primero en producir células sintéticas que son capaces de sobrevivir. Algunas de las células bacterianas con las que trabaja Ma se fusionarán en la solución, engullirán el genoma sintético y luego se replicarán y vivirán bajo su control.

Una solución de células, algunas de las cuales contienen el nuevo genoma, se mezcla con un medio de cultivo a base de gel que contiene un antibiótico. Luego se vierte en placas de Petri y se coloca en una incubadora. Solo las células que contienen el genoma sintético portan un gen que las protege del antibiótico. Las manchas azules son colonias de bacterias ahora controladas por el genoma sintético trasplantado.

La ingeniería genética convencional es un proceso prolongado en el que los genes se alteran uno por uno, a menudo a lo largo de generaciones sucesivas de organismos. Eso hace que cambiar radicalmente un genoma sea una propuesta abrumadora. Pero las técnicas desarrolladas recientemente permiten a los investigadores editar genomas en una computadora, restando o agregando genes literalmente cortándolos y pegándolos en un archivo. Se parece más a un procesamiento de texto que al trabajo de laboratorio tradicional que implica el cultivo y la detección de generaciones de organismos. Luego, los investigadores pueden realizar el equivalente genético de imprimir el archivo, momento en el que pueden trasplantar el resultado, un nuevo genoma, a las células existentes. Estos pasos aceleran drásticamente el proceso de ingeniería; Podría llevar solo unas semanas completar experimentos que antes hubieran tardado meses o años.

Esta historia fue parte de nuestro número de septiembre de 2010

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En última instancia, los investigadores quieren utilizar la biología sintética para diseñar microbios que produzcan vacunas, combustibles limpios y otros productos de manera muy eficiente. Pero no pueden diseñar nuevos genomas desde cero, porque aún no saben lo suficiente sobre qué genes y redes de genes se necesitan para mantener la vida y producir un producto deseado. Puede eliminar un gen y la célula vive; quita un segundo y muere; luego quita un tercero y vuelve a vivir, dice Daniel Gibson, profesor asociado del instituto. Por lo tanto, los investigadores de Venter están experimentando con la secuencia de un genoma natural. Esperan aprender más sobre cómo funcionan los genomas y las células eliminando y agregando rápidamente genes en diferentes combinaciones, incorporando los nuevos genomas en las células y luego observando cómo funcionan o no funcionan esos genomas.

Revisión genética

El proceso comienza en la computadora, donde Gibson extrae el genoma de la bacteria. Mycoplasma mycoides . Es relativamente simple, que comprende solo 1.078.809 pares de bases de ADN que componen alrededor de 900 genes. (En comparación, E. coli las bacterias tienen alrededor de 4.400 genes). Gibson y sus colegas han realizado algunos cambios: eliminaron 14 genes de la secuencia y agregaron otros. Para crear una marca de agua que distinga su creación, desarrollaron un código que convierte el inglés en el alfabeto de cuatro letras del ADN y lo usaron para modificar el genoma, incorporando sus nombres, una URL, algunas oraciones y una dirección de correo electrónico en el genoma.

Luego, el grupo de Gibson usa software para dividir el genoma modificado en 1.100 secciones, cada una de aproximadamente 1.080 pares de bases de largo, un tamaño que se puede hacer de manera económica con un sintetizador de ADN, una máquina que junta tramos de ADN a partir de pares de bases individuales suministrados en soluciones embotelladas. Finalmente, los investigadores reclutan células de levadura para unir estas largas secciones, un trabajo que las máquinas no pueden hacer.

Gibson se arrodilla frente a un refrigerador en el laboratorio y saca 12 cajas de plástico, cada una de las cuales contiene 96 pozos llenos de fragmentos de ADN basados ​​en los diseños modificados por computadora. Los apila en un banco y dice: Este es el genoma completo en 1.100 piezas. Gibson usa una pipeta para juntar 10 fragmentos en orden y los agrega a un pequeño tubo de plástico, junto con un fragmento adicional de ADN que ayudará a unir la secuencia en un bucle. A continuación, agrega células de levadura que han sido tratadas para permitirles absorber las piezas de ADN. Cada célula de levadura piensa que estos fragmentos de ADN son parte de su propio cromosoma y está roto, dice. Quiere volver a unirlos. Los investigadores diseñaron los fragmentos de ADN para que los que se unirán tengan extremos con secuencias coincidentes. La levadura junta los 10 fragmentos haciendo coincidir estas secuencias para producir bucles de ADN de 10.000 pares de bases cada uno. La repetición del proceso vincula las secuencias de 10.000 pares de bases para formar segmentos del genoma de 100.000 pares de bases. Después de un tercer paso de agrupación, la levadura ha unido todo el genoma sintético. Utilizando métodos establecidos, los genomas sintéticos se extraen de la levadura.

La manipulación del ADN extraído requiere un cuidado considerable: incluso un genoma pequeño es una molécula gigantesca y frágil. Se romperá en 100 pedazos si lo miras mal, dice Gibson. Si estuviera suspendido en una solución líquida, el ADN podría destruirse simplemente por el movimiento del líquido. Entonces Gibson inmoviliza los genomas en agarosa, un gel derivado de algas que se usa comúnmente como medio para microbios. Encerrados en este gránulo protector, se pueden almacenar de forma segura hasta que los investigadores estén listos para trasplantarlos a las células receptoras.

Pequeño trasplante

En un laboratorio al final del pasillo, Ma ha preparado las células que recibirán la nueva secuencia: una especie de bacteria llamada Mycoplasma capricolum que está estrechamente relacionado con la especie de la que se deriva el genoma sintético. Mientras que una enzima que degrada la agarosa licua gránulos que contienen ADN en un tubo de ensayo, Ma obtiene otro tubo de ensayo y mezcla las bacterias con cloruro de calcio y polietilenglicol, un cóctel que los investigadores creen que hace que las superficies de las células sean maleables y pegajosas. Ahora es cuestión de azar y mano firme. Ma pipetea un poco de la mezcla de células en el vial que contiene los bucles del genoma sintético. Las células pegajosas comienzan a fusionarse entre sí. Para mantener su forma esférica después de la fusión, deben absorber el volumen de la solución que los rodea. Mientras esto sucede, algunas células, aproximadamente una de cada 100.000, también incorporan el genoma sintético. El resultado es una especie de supercélula con tres genomas: el genoma sintético y uno de cada una de las dos células. La supercélula luego se divide en tres células más pequeñas, una de las cuales contiene el genoma sintético.

Ma unta la solución celular en placas de cultivo que contienen un antibiótico al que solo las células con el genoma sintético son resistentes (durante el proceso de edición del genoma, los investigadores agregaron un gen que las hace inmunes a él). Esas células vivirán, crecerán y se dividirán bajo el control del nuevo genoma. El resto muere, dejando una colonia pura de células sintéticas.

El siguiente paso para los investigadores del Instituto Venter es utilizar sus técnicas de edición, síntesis y trasplante genómico para diseñar y probar genomas con cada vez menos genes. El objetivo es crear una célula mínima, una con solo los genes que necesita para sobrevivir. Una célula así podría ser más fácil de alterar que una natural mediante ingeniería genética.

Los métodos de los investigadores son actualmente muy caros: cuesta entre 300.000 y 500.000 dólares fabricar y trasplantar un genoma sintético si los investigadores sintetizan el ADN en casa, o aproximadamente tres veces más si lo compran a un proveedor externo. Sin embargo, el precio de la síntesis de ADN está cayendo y puede seguir cayendo aún más a medida que aumenta la demanda y mejora la tecnología. Si eso sucede y las técnicas de construcción del genoma resultan tan útiles como esperan los investigadores de Venter, más personas comenzarán a adoptar sus métodos, dice James Collins, profesor de ingeniería biomédica en la Universidad de Boston.

Este es un avance significativo para la biología sintética, dice Collins. Ahora tenemos que ver, ¿cuáles son los cambios que se pueden introducir en el genoma?

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