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Creación de piezas de celda desde cero
Investigadores de la Universidad de Harvard han construido un ribosoma funcional, la máquina de fabricación de proteínas de la célula, desde cero, molécula por molécula. La creación representa un paso significativo hacia la creación de vida artificial y, en última instancia, podría llenar un vacío importante en nuestra comprensión de los orígenes de la vida. Pero los científicos que fabricaron el ribosoma están más interesados en sus aplicaciones industriales. Planean modificar genéticamente la maquinaria molecular para que pueda producir proteínas de manera más eficiente, así como proteínas que son la imagen especular de las que normalmente se encuentran en la naturaleza. Ambas mejoras podrían suponer una gran ventaja en la industria farmacéutica, entre otras.
Fábrica de proteínas: Aquí se muestra la estructura de un ribosoma, la estructura celular que produce proteínas. Los científicos ahora han creado un ribosoma desde cero.
Para hacer los ribosomas, Iglesia de San Jorge , un genetista de Harvard e investigador postdoctoral Mike Jewett primero desarmó los ribosomas de Escherichia coli , una bacteria de laboratorio común, en sus moléculas componentes. Luego usaron enzimas para volver a unir los diversos componentes de ARN y proteínas. Cuando se juntan en un tubo de ensayo, estos componentes se forman espontáneamente en ribosomas funcionales. Si bien los científicos han reconstituido previamente los ribosomas, que están formados por una configuración compleja de ARN y proteínas, ya en la década de 1960, estas versiones anteriores eran pobres productores de proteínas y se crearon en condiciones químicas muy diferentes a las de una célula normal.
Los investigadores utilizaron el ribosoma artificial para producir con éxito la enzima luciferasa, una proteína de luciérnaga que genera el brillo del insecto. Con el tiempo, dice Church, quiere crear pequeñas fábricas de proteínas a partir de ribosomas hechos a medida. Queremos producir grandes cantidades de proteínas especiales que sean difíciles de producir in vivo y que sean útiles para la producción de vacunas [y otros fines].
A continuación, los investigadores quieren crear un ribosoma que pueda recrearse a sí mismo. Han compilado una lista de 151 genes que creen que son necesarios para un ribosoma autorreproductor, incluidos genes para proteínas ribosomales, diferentes tipos de ARN, enzimas que catalizan diferentes reacciones en la síntesis de proteínas y genes adicionales que no están directamente relacionados con el ribosoma. Creemos que estos son genes suficientes para replicar el ADN, producir ARN y ribosomas, y tener una membrana primitiva, dice Church. Una vez que lo ponga en marcha, debería poder seguir funcionando si le proporciona aminoácidos y nucleótidos [los componentes básicos de ADN y ARN].
Una vez que el sistema esté en funcionamiento, los investigadores esperan optimizarlo genéticamente para convertirlo en una fábrica de proteínas eficiente. Los productos proteicos, como los medicamentos biológicos, ahora se elaboran principalmente en cubas de bacterias. Cuando produce proteínas en bacterias vivas, tira el 90 por ciento de la biomasa bacteriana solo para obtener unos pocos gramos de proteína, dice David Deamer , químico de la Universidad de California, Santa Cruz. Si pudiera hacerlo sin organismos vivos, podría ser mucho más eficiente.
Reconstitución de ribosomas: Aquí se muestra una lista de piezas para crear un ribosoma sintético y autorreplicante. Las proteínas se muestran en violeta, el ARN en rojo y el ADN en azul. La lista incluye 54 proteínas ribosómicas, así como enzimas basadas en ARN involucradas en la producción de proteínas y otras moléculas que interactúan con los ribosomas.
Church y su equipo también quieren usar el ribosoma para producir una nueva clase de proteínas, aquellas que son la imagen especular de las proteínas que se encuentran en la naturaleza. Las proteínas y muchas otras moléculas tienen un sentido lateral, o quiralidad, en su estructura. Los aminoácidos producidos en la naturaleza son casi exclusivamente para zurdos. Y así como un guante cabe en una sola mano, las enzimas para zurdos solo pueden catalizar reacciones de sustratos con la mano correcta. Esto significa que las moléculas de imagen especular serían resistentes a la degradación por enzimas regulares, dice Church. Eso podría tener importantes aplicaciones industriales, generando enzimas de larga duración para la biofermentación, utilizadas para crear biocombustibles y otros productos.
La industria farmacéutica también podría beneficiarse de un método para fabricar moléculas de imagen especular. A diferencia de la síntesis biológica, la síntesis química produce una mezcla de moléculas diestras y zurdas. Pero con muchas drogas, el ejemplo más notorio es la talidomida, una forma es beneficiosa y la otra dañina. Es costoso separar las dos versiones, por lo que una alternativa eficiente que produzca solo la forma deseada desde el principio podría ser de gran ayuda para los fabricantes. Church y Jewett aún no han creado una proteína de imagen especular utilizando su ribosoma sintético, pero dicen que se puede hacer simplemente modificando algunas moléculas en la enzima que une los aminoácidos en proteínas.
El ribosoma artificial también tiene aplicaciones mucho más amplias. Es un paso importante en el camino hacia la creación de vida artificial, una célula que puede autoensamblarse y reproducirse. Los científicos quieren crear un organismo desde cero tanto para comprender mejor el funcionamiento interno de la biología como para crear formas de vida nuevas y altamente manipulables que puedan emplearse para producir nuevos combustibles, limpiar toxinas o realizar otras funciones útiles.
Además, el ribosoma podría resolver importantes preguntas sin respuesta sobre los orígenes de la vida. ¿Cómo evolucionaron los primeros ribosomas o la estructura equivalente en el camino hacia la vida tal como la conocemos? Esta es realmente una gran brecha en nuestra comprensión del origen de la vida, dice Deamer. Si [Church] puede manipular partes para hacer una versión mejor o más simple del ribosoma, nos enseñará mucho sobre cómo surgieron los ribosomas. Y segundo, ¿por qué casi toda la vida tiene una quiralidad zurda? Es un misterio, dice Fred Blattner, genetista de la Universidad de Wisconsin-Madison. ¿Ocurrió simplemente de esa manera, o hay una razón por la que no somos conscientes? Con un ribosoma para zurdos, la respuesta a la pregunta pronto estará a su alcance.