Científicos del Instituto Craig Venter publican en Science un trabajo en el describen la síntesis de un genoma bacteriano completo sintético. De este modo el grupo de investigadores ha demostrado ser capaz de realizar dos pasos de los tres necesarios para crear vida artificial.
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El genoma consta de 582.970 bases, pero es la mayor estructura genética hecha por el hombre hasta el momento, siendo totalmente funcional. Aunque el genoma se ha ensamblado artificialmente no ha sido inventado desde cero, sino que es una copia de un genoma natural ya existente.
Los miembros de este mismo equipo demostraron en el pasado, como en NeoFronteras ya relatamos, que eran capaces de trasplantar un genoma completo de un microorganismo a otro. Con este nuevo logro ya sólo queda la síntesis de un genoma de nuevo diseño y trasplantarlo para así crear la primera célula artificial. A partir de ella se podrían crear microorganismos que produzcan combustibles o limpien la contaminación.
Los investigadores pudieron obtener este resultado gracias al desarrollo de nuevos métodos para el ensamblaje y multiplicación de fragmentos de ADN. Encontraron que la recombinación homóloga (que es un método que las células usan para reparar daños en su material genético) de la levadura Saccharomyces cerevisiae servía para reconstruir rápidamente el genoma completo de una bacteria a partir de sus bloques constitutivos. El grupo ha perfeccionado este método a lo largo de los últimos años.
No es fácil a partir de las unidades genéticas más sencillas (las bases A, G, C, T) obtener genes, luego cromosomas a partir de genes y finalmente genomas completos con las secuencias genéticas deseadas. Antes de este logro la mayor estructura genética sintética constaba de sólo 32.000 bases. La reconstrucción del genoma completo de la bacteria Mycoplasma genitalium, que consta de 580,000 pares de bases (uno de los genomas más pequeños conocidos, y el más pequeño conocido de un organismo que pueda crecer en cultivos) representaba un desafío formidable, aunque el equipo ya tuviera experiencia previa con este organismo.
El proceso de creación de una versión sintética del genoma (las bacterias no tienen cromosomas propiamente dichos) de M. genitalium empezó con la resecuenciación del genoma original para asegurarse de la fiabilidad de los datos de partida. Después fragmentaron dicho genoma en 101 bloques o «cassettes» de 5000 a 7000 pares de bases. Para diferenciar el genoma original del futuro genoma sintético los investigadores introdujeron «marcas de agua» genéticas que permitían identificar los bloques sintéticos y que no se presentan en la naturaleza..
El equipo diseño un proceso de ensamblaje de cinco pasos. En el primer paso se utilizaron conjuntos de 4 cassettes para crear 25 subensambles de 24.000 pares de bases. Estas secuencias de 24 kilobases fueron clonadas en Escherichia coli para crear suficiente cantidad de material genético para los siguientes pasos y para los proceso de validación y control (no basta en conseguir el logro, sino que también hay que demostrar que se ha realizado).
En el siguiente paso se combinaron los fragmentos de 24 kb para formar 8 objetos de 72.000 pares de bases. Estos octavos de genoma fueron clonados de nuevo en E. coli para producir más material genético y parte de él fue secuenciado. Después consiguieron cuartos de genoma, cada uno con 144.000 bases.
Antes de crear mitades de genoma los investigadores introdujeron estos octavos de genoma en células de levadura de cerveza consiguiendo ensamblarlos por recombinación homóloga, gracias a que S. cerevisiae es capaz de absorber en su propio genoma secuencias foráneas y unirlas en partes cada más grandes incluso si los bloques a ensamblar son de gran tamaño relativo. Aunque E. coli puede ensamblar tamaños pequeños, para los últimos pasos se queda pequeña por la imposibilidad de acoger bloques genéticos grandes, cosa que la levadura si puede hacer hacer.
La estructura obtenida tiene un peso molecular de 360.110 kilodaltons, el genoma completo de la bacteria en forma de secuencia única de 580.000 pares de bases. Este genoma fue además secuenciado de nuevo para validar el éxito del todo el proceso.
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Los investigadores están excitados con este logro, que se encuadra dentro del proyecto del genoma mínimo: la obtención del conjunto de genes más pequeño necesario para generar vida celular independiente y a partir de un microorganismo que lo porte rediseñar y construir otros a la carta.
No sabemos de seguro qué número de genes es realmente el mínimo posible. Mediante daños aleatorios en ciertos genomas, algunos investigadores establecieron hace un tiempo un límite de 300 genes para el genoma mínimo. Hasta hace relativamente poco tiempo no se habían encontrado casos con menos de 500.000 o 600.000 pares de bases. Para comparar podemos recordar que el genoma humano tiene unos 3000 millones de bases. Cuando en 2002 Venter anuncio su proyecto estimó en 300 genes los necesarios para llevar a cabo esta tarea, pero parece que la estimación era superior a la realidad, aunque este asunto está bajo debate. Posiblemente el genoma mínimo dependerá del ambiente en donde viva el organismo en cuestión. Se cree que en ese genoma mínimo se necesitan al menos los genes para la replicación, la síntesis de proteínas y síntesis de algunas enzimas fundamentales.
Mycoplasma genitalium tiene 485 genes. Es de suponer que ahora empezarán a suprimir algunos de ellos y comprueben en los cultivos que el organismo sobrevive. Dentro de algún tiempo tendremos la respuesta del número de genes que componen el genoma mínimo.
La célula sintética de genoma mínimo será un «chasis» o estructura biológica sobre la que construir otros microorganismos a medida.
La primera célula sintética no será espectacular, será un organismo muy simple, pero será la prueba evidente de que la creación de vida artificial es factible. Esta protocélula tendrá el potencial de arrojar una nueva luz sobre nuestro papel en el Universo, y posiblemente será un tema sobre el que se discuta en la sociedad, porque bajo el punto de vista filosófico, o incluso teológico, su influencia será innegable.
Un grupo de expertos en bioética de la University of Pennsylvania controla desde 1995 los trabajos del equipo de Venter y de momento no encuentran problemas morales o éticos en este tipo de investigaciones.
Pero la idea final es obtener aplicaciones prácticas inmediatas. A partir de este tipo de célula sintética mínima se crearán otras que incorporen genes pensados para que el microorganismo realice una tarea específica. Estas células artificiales esclavizadas podrían desempeñar determinadas funciones como producir biocombustibles o medicamentos, eliminar tóxicos, reducir la contaminación y el efecto invernadero… Aunque todo esto todavía está un poco lejos.
Fuentes y referencias:
Nota de prensa en el Instituto Craig Venter. [1]
Entrevista a Venter en NPR (mp3 en inglés). [2]
Complete Chemical Synthesis, Assembly, and Cloning of a Mycoplasma genitalium Genome (resumen en Science). [3]
Hacia la primera célula mínima sintética. [4]
Genoma enano nos habla de los límites de la vida. [5]
Realizado el primer transplante de genoma. [6]
Prometen vida sintética en unos años. [7]