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Rediseñan y sintetizan el cromosoma III completo de levadura de la cerveza.

La vida en la Tierra se divide en procariotas y eucariotas. Las bacterias y arqueas pertenecen al primer caso. Sus células son las más sencillas y no tienen un núcleo diferenciado. El ADN de sus genomas está “disuelto” en la célula y, como máximo, forma plásmidos circulares. Estas células procariotas no tienen cromosomas.
El resto de la vida terrestre está compuesta por seres eucariotas. Sus células son más grandes y complejas y, además de orgánulos especializados como los mitocondrias o cloroplastos, tienen núcleos diferenciados en los que se guarda el ADN. Ese ADN se organiza en paquetes denominados cromosomas. Cada especie tiene un número fijo de cromosomas y cada cromosoma contiene un tipo de información en concreto. Los cromosomas, además, vienen por parejas y los del mismo tipo intercambian ADN para así facilitar la reproducción sexual.
Las levaduras son hongos y los hongos son eucariotas. La levadura de la cerveza (Saccharomyces cerevisiae) es un modelo típico de laboratorio (junto a E. coli, a la mosca de la fruta, al nematodo C. elegans, a la Arabidpsis o al ratón) y durante miles de años nos ha servido para fabricar el pan, la cerveza o el vino. Tratar de modificar los genes de E. coli, que es una bacteria, es más fácil que modificar la levadura de la cerveza, porque en este segundo caso los genes están organizados en cromosomas. Intentar sintetizar en genoma completo de un eucariota es una tarea inmensa comparad con hacer lo mismo con una bacteria debido al tamaño mucho más grande.
Por otro lado, desde hace un tiempo se persigue la meta de crear vida artificial. Se tomarían compuestos inanimados del proveedor de material de laboratorio y se obtendrían un ser vivo, en principio un microorganismo. Todavía queda mucho tiempo hasta conseguir esta meta, pero se están dando pasos importantes. Así por ejemplo, en 2010 se consiguió sintetizar el genoma completo de Mycoplasma mycoides y hacer que fuese funcional. Desde entonces permanece congelado.
El último avance en este sentido ha sido la creación del primer cromosoma sintético de la levadura de la cerveza. Además no se trata de una mera copia sin más, sino que es un cromosoma modificado profundamente. Es un rediseño del mismo a un orden de magnitud superior en tamaño a lo realizado en este sentido por Craig Venter, que “sólo” copio el genoma de una bacteria. Es la primera vez que se consigue sintetizar un conjunto complejo de genes de un organismo eucariota y un triunfo de la Biología Sintética.
La idea es usar este tipo de cromosomas en levaduras para así producir de una manera más barata y segura medicamentos u otros compuestos de utilidad práctica, como biocombustibles, plásticos, etc. Pero, sobre todo, sirve para saber cómo funcionan los cromosomas y los genes que contienen. Es sabido por todos que un gen no es más que una unidad de información genética (una secuencia de ADN) capaz de codificar una proteína específica.
La levadura de la cerveza posee 16 cromosomas diferentes (el ser humano tiene 23 pares). En este caso se ha recreado el cromosoma número tres. Este cromosoma es el favorito de los genetistas porque posee la genética que controla el comportamiento sexual de la levadura. Recordemos, una vez más, que esta levadura puede reproducirse tanto asexualmente como sexualmente y los genes del cromosoma tres controlan esa última opción. Además, este cromosoma es el más pequeño de todos y se conoce bien todos sus genes, ya que fue el primero en ser secuenciado. Por tanto, era un buen blanco para su síntesis artificial.
A comienzos de este siglo estaba Jef Boeke con sus colaboradores tomándose un café en la Universidad Johns Hopkins cuando realizó un esquema para la síntesis del cromosoma tres. Algo que al final terminó llamándose Synthetic Yeast 2.0. La idea era que el control de la síntesis de los cromosomas de un organismo como la levadura permitirá el control total de dicho organismo y garantizaría una mejor producción de industrial. Para ello sería necesario rediseñar todo el genoma y eso pasa por rediseñar los 16 cromosomas. Pero la tarea era y es descomunal. En 2011 sólo habían conseguido reconstruir un brazo del cromosoma nueve y ahora es cuando han conseguido la reconstrucción completa del cromosoma tres. El cromosoma tres se prestaba mejor debido a su pequeño tamaño. Este cromosoma consta de más de 316.000 pares de bases, pero se han ahorrado gran parte de ese trabajo al tener en cuenta sólo los 272.871 pares de bases esenciales no repetidas y eliminar el ADN no codificante.
La tarea se ha realizado gracias al trabajo colaborativo de 60 estudiantes y a la reducción de costos en las máquinas necesarias. El ensamblaje se realizó usando trozos de 750 pares de bases y se empleó la técnica DIY que permite realizar esta tarea más fácilmente. El trabajo no fue sencillo porque se produjeron reordenamientos inesperados en el cromosoma sintético al ser éste más pequeño que el original. Gracias a una técnica de backcrossing consiguieron reordenarlo. Parte del proceso se realizó con levaduras vivas teniendo en cuenta que los cambios que se iban realizando no mataran a las mismas.
Finalmente en los cultivos de la nueva levadura 2.0 se pudo apreciar que el nuevo organismo crecía sin problemas y que su anatomía y tolerancia eran las mismas que las de las levaduras normales.
Sin embargo, la nueva levadura no sirve mejor que la natural para producir más etanol, pues es menos tolerante al alcohol que las cepas usadas para ese fin. No sirve, por tanto, para fabricar vino o cerveza. Simplemente es un primer paso que permitirá estudiar el efecto de ciertos genes y así mejorar las prestaciones de levaduras específicas en un futuro. Así por ejemplo, se va a estudiar cómo esta levadura evoluciona en el tiempo bajo diversas condiciones. También servirá como modelo para el estudio del control de la división celular, la función del ADN no codificante, etc.
La meta es usar una de estas levaduras para la producción industrial masiva con alto rendimiento de diversas sustancias. Varios equipos de investigadores están tratando de modificar levaduras para así conseguir esta meta industrial. Así por ejemplo, Farren Isaacs (Yale University) alteró el año pasado levaduras con secuencias modificadas de ADN procedentes de bacterias. En teoría se podría forzar a las levaduras a sintetizar casi cualquier cosa, como polímeros y otras sustancias no biológicas que las levaduras naturales no sintetizan.
A largo plazo está la tarea de sintetizar el resto de los 16 cromosomas y de otros detalles no menores como las histonas. Esto requerirá manipular 12 millones de pares de bases de las que sólo se tienen ahora un 3%. Esto demorará unos años, que dependerá obviamente de la financiación. Esperemos que este primer éxito permita una financiación rápida para lograr así alcanzar esta meta lo antes posible. Más adelante quizás vengan los genomas completos o parciales de otros seres vivos.
Al final nos daremos cuenta que la vida es sólo información y la computación de la misma. Ya no haría falta congelar embriones o microorganismos para un viaje interestelar a un exoplaneta lejano. Bastaría con enviar sólo la información y las máquinas de síntesis necesarias, pues lo átomos de la vida son los más corrientes del Universo.

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Fuentes y referencias:
Artículo original.
Foto: Eye of Science