Científicos reprograman bacterias para que sean inmunes a los virus

Científicos reprograman bacterias para que sean inmunes a los virus

Los científicos crearon un genoma sintético para una bacteria encadenando bloques de ADN, y el nuevo genoma hizo que el microbio fuera inmune a la infección viral.

Incluso cuando se expuso a un c√≥ctel de bacteri√≥fagos -virus que infectan a las bacterias- la Escherichia coli de dise√Īo permaneci√≥ indemne, mientras que una versi√≥n no modificada de la bacteria sucumbi√≥ r√°pidamente al ataque viral y muri√≥, inform√≥ el equipo de investigaci√≥n en su nuevo estudio, publicado el jueves (3 de junio) en la revista Science. Esto se debe a que los virus suelen secuestrar la maquinaria interna de una c√©lula para hacer nuevas copias de s√≠ mismos, pero en la E. coli de dise√Īo, esa maquinaria ya no exist√≠a.

"Nuestro conocimiento del c√≥digo gen√©tico nos permiti√≥ plantear la hip√≥tesis de que los virus no deber√≠an ser capaces de infectar y propagarse" en la E. coli modificada, y eso result√≥ ser cierto, dijo el primer autor Wesley Robertson, investigador postdoctoral en biolog√≠a sint√©tica en el Laboratorio de Biolog√≠a Molecular del MRC (MRC-LMB) en el Reino Unido. Hacer que las bacterias sean resistentes a la infecci√≥n viral podr√≠a ser √ļtil en el desarrollo de f√°rmacos, ya que medicamentos como la insulina y algunos ingredientes de vacunas se cultivan en bacterias, por ejemplo, escribieron los autores en su estudio.

La genética en cifras: 10 historias tentadoras

Pero aunque es una buena ventaja, hacer que E. coli sea invulnerable a los virus no era el objetivo principal de la investigaci√≥n, dijo Robertson. El equipo quer√≠a sustituir los genes y la maquinaria celular que hab√≠an eliminado por una maquinaria reprogramada de su propio dise√Īo, para que el microbio produjera prote√≠nas seg√ļn sus instrucciones.

Las células normalmente sólo utilizan 20 bloques de construcción, llamados aminoácidos, para construir todas sus proteínas, pero ahora, los científicos pueden introducir "aminoácidos no naturales" para su uso en la construcción de proteínas, que tienen la misma columna vertebral básica que todos los aminoácidos, pero cadenas laterales novedosas. De este modo, el equipo consiguió que sus microbios modificados construyeran macrociclos -una clase de moléculas utilizadas en diversos fármacos, incluidos los antibióticos- con aminoácidos no naturales incorporados en sus estructuras. En el futuro, el mismo sistema podría adaptarse para fabricar materiales similares al plástico, sin necesidad de recurrir al petróleo, dijo Robertson.

"Esto era impensable hace diez a√Īos", dijo Abhishek Chatterjee, profesor asociado de qu√≠mica del Boston College, que no particip√≥ en el estudio. Suponiendo que el m√©todo pueda ser adoptado f√°cilmente por otros laboratorios, podr√≠a utilizarse para una amplia gama de prop√≥sitos, desde el desarrollo de f√°rmacos hasta la producci√≥n de materiales nunca vistos, dijo.

"En realidad, se puede crear una clase de polímeros completamente inédita", dijo Chatterjee. "Cuando esta tecnología sea realmente eficaz y se solucionen todos los problemas, podría convertirse en un motor para el desarrollo de nuevas clases de biomateriales", que podrían utilizarse, por ejemplo, en dispositivos médicos que se implantan en el cuerpo humano.

Construir genomas desde cero

Para crear su E. coli programable, el equipo aprovechó una peculiaridad del proceso de traducción de la información genética en proteínas.

Al igual que el ADN humano, los cromosomas de E. coli contienen cuatro bases: adenina (A), timina (T), citosina (C) y guanina (G). Un conjunto de tres bases -como TCG o AGC, por ejemplo- se conoce como codón, y cada codón corresponde a un aminoácido, o bloque de construcción de proteínas. Además, algunos codones indican a la célula cuándo debe dejar de construir una proteína; se denominan "codones de parada".

Cuando una célula necesita construir una proteína concreta, una enzima se lanza a copiar todos los codones relevantes para esa proteína y almacena esa información en una nueva molécula llamada ARN mensajero (ARNm). A continuación, el ARNm se envía a la fábrica de construcción de proteínas de la célula, el ribosoma, donde otra molécula llamada ARN de transferencia (ARNt) lee esas instrucciones copiadas. El ARNt recoge entonces todos los aminoácidos necesarios para construir la proteína deseada, hasta el codón de parada.

Las bases del ADN pueden organizarse en 64 codones de tres bases diferentes, de los cuales tres son codones de parada. Sin embargo, las células sólo tienen 20 aminoácidos con los que trabajar, lo que significa que varios codones diferentes codifican los mismos aminoácidos.

10 cosas sorprendentes que los científicos hicieron con CRISPR

"Existe esta redundancia inherente en el código genético, en el que hay 64 codones, pero sólo 20 bloques de construcción", dijo Robertson. Robertson y sus colegas se preguntaron si, sustituyendo los codones redundantes por sus "sinónimos", podrían reasignar algunos de estos codones redundantes para codificar nuevos aminoácidos sin matar la célula.

En un estudio anterior, publicado en 2019 en la revista Nature, el equipo superó el primer obstáculo de este reto creando una nueva cepa de E. coli con un genoma reducido. Dirigido por Jason Chin, líder del programa en el MRC-LMB y jefe del Centro de Biología Química y Sintética, el grupo cambió todos los codones TCG y TCA por AGC y AGT, que codifican el aminoácido serina.

Para ello utilizaron una técnica denominada "escisión de replicones para mejorar la ingeniería del genoma mediante recombinación programada", o simplemente REXER. REXER puede cortar grandes porciones del genoma de E. coli en un solo paso y sustituir el trozo extirpado por ADN sintético, que en este caso utilizó AGC y AGT en lugar de TCG y TCA. Este proceso puede aplicarse de forma escalonada, descendiendo por el genoma de forma que trozo tras trozo sea sustituido por ADN sintético; de esta forma, el equipo eliminó todos los casos de TCG y TCA de su cepa de E. coli .

"Si vas a hacer un montón de cambios, en realidad es más eficiente empezar de cero y construirlo de abajo a arriba", en lugar de intercambiar codones uno por uno del genoma natural, dijo Robertson. El equipo también cambió el codón de parada TAG por TAA, un codón de parada sinónimo, y así liberó tres codones para reprogramar, ya que la célula ya no contenía TCG, TCA o TAG.

Y a pesar de haber eliminado estos tres codones, la nueva cepa de E. col i sobrevivi√≥ bien en el entorno del laboratorio, y el equipo seleccion√≥ las c√©lulas que crec√≠an m√°s r√°pido en el cultivo celular. Las c√©lulas que se sometieron a esta evoluci√≥n dirigida crecieron de forma fiable en placas de laboratorio, aunque la E. coli modificada mor√≠a r√°pidamente si se colocaba fuera del entorno controlado del laboratorio, se√Īal√≥ Robertson.

Científicos reprograman bacterias para que sean inmunes a los virus

Los investigadores postdoctorales Wesley Robertson y Daniel de la Torre (izquierda) dirigieron la reasignación de codones a aminoácidos no naturales y los aspectos de síntesis de polímeros no naturales del proyecto. La estudiante de posgrado Louise Funke (segunda por la derecha) dirigió los experimentos de evolución de las cepas bacterianas, y el investigador posdoctoral Julius Fredens (extremo derecho) demostró la resistencia a los fagos de las células modificadas. (Crédito de la imagen: W. Robertson, MRC Laboratory of Molecular Biology)

Un sistema "plug and play

Ahora, en su estudio m√°s reciente, el equipo hizo un √ļltimo ajuste a su E. coli eliminando los genes que codifican dos mol√©culas espec√≠ficas de ARNt, las mol√©culas que leen los codones y recogen todos los amino√°cidos apropiados. Estos ARNt suelen reconocer los codones TCG y TCA. El equipo tambi√©n elimin√≥ los genes de un llamado factor de liberaci√≥n que normalmente reconoce el cod√≥n de parada TAG. Estos cambios hicieron que la nueva cepa bacteriana fuera invulnerable a los virus, seg√ļn el equipo.

Los genomas de los virus contienen codones TCG, TCA y TAG, pero sin el ARNt y los factores de liberaci√≥n adecuados, la E . col i de dise√Īo no puede leer estos genes virales y, por tanto, no puede ser presa de los pat√≥genos. "Cuando el virus infecta, no tiene el mismo c√≥digo gen√©tico que nuestras c√©lulas [ E. coli modificadas], y entonces no puede fabricar sus propias prote√≠nas y no puede propagarse", dijo Robertson.

Pero, de nuevo, el objetivo principal del estudio era reprogramar los codones liberados para generar nuevas prote√≠nas. Para ello, el equipo gener√≥ mol√©culas de ARNt que se emparejaron con amino√°cidos no naturales de su propio dise√Īo; estos ARNt se programaron para reconocer los codones TCG, TCA y TAG que ahora faltaban en la cepa de E. coli modificada. El equipo reintrodujo los codones que faltaban coloc√°ndolos dentro de peque√Īos bucles de ADN, llamados pl√°smidos, que pueden insertarse en la bacteria sin alterar su genoma.

Los pl√°smidos, el ARNt y los amino√°cidos no naturales proporcionaron a los investigadores todos los planos, herramientas y materiales que necesitaban las c√©lulas para construir prote√≠nas de dise√Īo. "As√≠ se pueden fabricar prote√≠nas en una c√©lula de forma programable, bas√°ndose en el ADN que proporcionamos a la c√©lula, con 23 bloques de construcci√≥n", en lugar de 20, dijo Robertson. "Es un sistema bastante "plug-and-play".

CONTENIDO RELACIONADO

-Se hace viral: 6 nuevos descubrimientos sobre los virus

-Cómo hablar de genética: Un glosario

Los 12 virus más mortíferos de la Tierra

Otros grupos de investigaci√≥n han intentado introducir amino√°cidos no naturales en las prote√≠nas en el pasado, pero estas estrategias no fueron muy eficaces, escribieron Chatterjee y Delilah Jewel, estudiante de posgrado en el laboratorio de Chatterjee, en un comentario publicado en el mismo n√ļmero de Science. Por ejemplo, el laboratorio de Chatterjee emparej√≥ con √©xito amino√°cidos no naturales con los codones de parada en E. coli, pero este m√©todo solo les permiti√≥ insertar estos amino√°cidos no naturales en un solo sitio en la prote√≠na final, informaron en un estudio de 2019 en el Journal of the American Chemical Society.

Ahora, con el nuevo m√©todo, los cient√≠ficos pueden empezar a ampliar los l√≠mites de las prote√≠nas y los pol√≠meros que pueden construir, dijo Chatterjee a Live Science. "Queda a la imaginaci√≥n. ¬ŅQu√© aspecto podr√≠an tener esos amino√°cidos? "¬ŅQu√© tipo de qu√≠mica podr√≠an tener, qu√© funcionalidades podr√≠an tener, a las que la naturaleza nunca tuvo acceso?".

Mirando hacia el futuro, los cient√≠ficos podr√≠an eliminar a√ļn m√°s codones del genoma de E. coli, liberando a√ļn m√°s canales para la construcci√≥n de prote√≠nas de dise√Īo, dijo Robertson. Pero por ahora, tres canales abiertos son suficientes para trabajar, dijo. "¬ŅNecesitamos siete canales abiertos? ¬ŅO son suficientes tres canales abiertos para ampliar realmente lo que podemos hacer, en t√©rminos de proporcionar nuevas aplicaciones?", dijo. "Es beneficioso centrarse s√≥lo en las aplicaciones ahora".

Categorías:

Noticias relacionadas