La célula sintética más simple contiene 473 genes de los cuales un tercio tienen una función aún desconocida.
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Tal y como se lo habían propuesto, los miembros del equipo de Craig Venter han conseguido sintetizar la primera célula con el genoma más pequeño posible. Es un paso importante hacia la compresión total de cómo funcionan las células vivas.
Este trabajo está basado en el logro que hicieron hace unos años al sintetizar la primera célula bacteria “artificial” a base de introducir en una célula un genoma completo sintetizado desde cero.
El propio Venter usa la metáfora del avión para describir el trabajo que han realizado. A un avión se le van quitando piezas y se comprueba si puede volar. Así, al cabo de un tiempo se consigue un avión que vuela con el mínimo número de piezas posibles. En este caso se van suprimiendo genes del genoma de una de estas células “artificiales” hasta que se da con el paquete de genes mínimo posible. Al final se trataría de una nueva especie bacteriana artificial creada por el ser humano, según Venter.
Han descubierto que dicho paquete mínimo consta de 473 genes. Estos son los genes imprescindibles o esenciales para vida terrestre. Un logro que cierra un periodo de 20 años de investigación. La idea de recrear un genoma completo era una de las promesas de la Biología sintética.
El proyecto de Venter es usar estas células mínimas para sintetizar productos industriales, productos farmacéuticos, combustibles, luchar contra el cambio climático, etc.
En los años noventa este equipo secuenció el genoma de Mycoplasma genitalium y llegó a la conclusión de que la lista de genes esenciales debía de contener unos 375 genes.
Fue precisamente este microorganismo al que se le transplantó en 2008 el genoma sintético.
El complicado crecimiento (necesita 18 horas para duplicarse) de M. genitalium hizo que se pasarán a Mycoplasma mycoides para la realización de los experimentos que darían con la determinación del genoma mínimo. En 2010 consiguieron trasplantar el genoma a esta especie, creando así ‘JCVI-syn1.0’. Pero el patrón genético era igual a la contrapartida natural y su genoma distaba de ser mínimo.
Así que estos investigadores recrearon un genoma de sólo 483.000 pares de bases y 471 genes del que estaban ausentes los genes responsables de la síntesis de nutrientes que estaban en el medio de cultivo (al no ser necesarios) y otros genes que no creyeron importantes. El resultado fue un organismo que no era viable.
Así que usaron un sistema para buscar la combinación mínima de genes que hicieran que la célula fuera viable. De este modo tuvieron que incluir genes que no codifican proteínas, pero que son necesarios porque dirigen la expresión de otros genes, así como pares de genes repetidos que realizan labores especiales.
Algunos genes repetidos que en un principio se clasificaron como de no esenciales resultaron ser de hecho esenciales aunque realizaran la misma función que su copia. Se necesitaba por tanto el par completo y no sólo una de las dos copias.
En el estudio se identificaron además genes semi-esenciales que, aunque su ausencia no hace que el organismos sea inviable, su presencia da robustez al crecimiento del mismo.
Básicamente, el método ha sido el de ensayo y error en lugar de estar basado en una profunda comprensión de los mecanismos fundamentales implicados en el funcionamiento de los genomas. Físicamente, el método para determinar la importancia de los genes consistía en el uso de transposones para silenciar determinados genes y ver si eran así esenciales.
Al final dieron con 531.000 pares de bases estructuradas en 473 genes que dieron lugar al organismo viable JCVI-syn3.0, que tiene 50 genes menos que el record natural ostentado por Mycoplasma genitalium, que tiene 525 genes (aunque el número varía según la fuente). En el lado opuesto está la rara planta japonesa Paris japonica, cuyo genoma contiene 50 veces más genes que el genoma humano. CVI-syn3.0 (en la foto de cabecera) dobla su población cada 3 horas, dos horas más que la versión natural de M. mycoides.
Como todos los nutrientes son proporcionados por el medio de cultivo, los genes correspondientes a su síntesis no son necesarios. Este genoma también carece de los genes de restricción y modificación de ADN y de los genes que codifican lipoproteínas.
Los genes del genoma mínimo que quedan están relacionados en su mayoría con la maquinaria celular, como los necesarios para sintetizar proteínas, los necesarios para leer la información genética y copiar ADN, los necesarios para conservar la información genética a lo largo de las generaciones, los genes que permiten transformar nutrientes en energía y los necesarios para construir la membrana celular.
Pero, quizás, lo más asombroso de todo es lo que no se sabe. De esos 473 genes hay 149 (un 31%) cuya función es desconocida. Algunos de estos genes están también presentes en otras formas de vida terrestre, incluidos los humanos, y son esenciales para la vida según este proyecto de investigación.
Así que hemos dado con un tercio del genoma mínimo (¿la materia oscura del de los genomas?) que nos es desconocido. Después de secuenciar el genoma de muchos organismos terrestres de este planeta todavía desconocemos la función de estos 149 genes, que además son esenciales para la vida. El equipo de Venter quiere ahora investigar sobre la función de estos genes.
Sin embargo, todavía está por ver si esto tendrá impacto en la Biología sintética industrial, ya que algunos expertos del campo lo dudan. En este tiempo han surgido biotecnologías que compiten con esta idea. La técnica de edición genética CRISPR permite modificar organismos ya existentes a voluntad de una manera más o menos sencilla, así que no parece que sea necesaria la síntesis desde cero de células bacterianas para alcanzar esas metas de la generación de diversos productos por biosíntesis, sobre todo si sólo se desean hacer pequeños cambios. Aunque todo está por ver en este aspecto de las aplicaciones utilitarias.
“What I cannot create, I do not understand.” (Lo que no puedo crear, no lo comprendo.)
Richard Feynman.
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Fuentes y referencias:
Artículo original [2]
Realizado el primer trasplante de genoma. [3]
Síntesis artificial de un genoma bacteriano completo. [4]
Foto: Mark Ellisman, National Center for Imaging and Microscopy Research.