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 cóctel de bacteriófagos -virus que infectan a las bacterias- la Escherichia coli de diseño permaneció indemne, mientras que una versión no modificada de la bacteria sucumbió rápidamente al ataque viral y murió, informó el equipo de investigación 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 célula para hacer nuevas copias de sí mismos, pero en la E. coli de diseño, esa maquinaria ya no existía.
"Nuestro conocimiento del código genético nos permitió plantear la hipótesis de que los virus no deberían ser capaces de infectar y propagarse" en la E. coli modificada, y eso resultó ser cierto, dijo el primer autor Wesley Robertson, investigador postdoctoral en biología sintética en el Laboratorio de Biología Molecular del MRC (MRC-LMB) en el Reino Unido. Hacer que las bacterias sean resistentes a la infección viral podría ser útil en el desarrollo de fármacos, ya que medicamentos como la insulina y algunos ingredientes de vacunas se cultivan en bacterias, por ejemplo, escribieron los autores en su estudio.
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Pero aunque es una buena ventaja, hacer que E. coli sea invulnerable a los virus no era el objetivo principal de la investigación, dijo Robertson. El equipo quería sustituir los genes y la maquinaria celular que habían eliminado por una maquinaria reprogramada de su propio diseño, para que el microbio produjera proteínas según 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 años", dijo Abhishek Chatterjee, profesor asociado de química del Boston College, que no participó en el estudio. Suponiendo que el método pueda ser adoptado fácilmente por otros laboratorios, podría utilizarse para una amplia gama de propósitos, desde el desarrollo de fármacos hasta la producción 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.
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"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 sobrevivió bien en el entorno del laboratorio, y el equipo seleccionó las células que crecían más rápido en el cultivo celular. Las células que se sometieron a esta evolución dirigida crecieron de forma fiable en placas de laboratorio, aunque la E. coli modificada moría rápidamente si se colocaba fuera del entorno controlado del laboratorio, señaló Robertson.
Un sistema "plug and play
Ahora, en su estudio más reciente, el equipo hizo un último ajuste a su E. coli eliminando los genes que codifican dos moléculas específicas de ARNt, las moléculas que leen los codones y recogen todos los aminoácidos apropiados. Estos ARNt suelen reconocer los codones TCG y TCA. El equipo también eliminó los genes de un llamado factor de liberación que normalmente reconoce el codón de parada TAG. Estos cambios hicieron que la nueva cepa bacteriana fuera invulnerable a los virus, según el equipo.
Los genomas de los virus contienen codones TCG, TCA y TAG, pero sin el ARNt y los factores de liberación adecuados, la E . col i de diseño no puede leer estos genes virales y, por tanto, no puede ser presa de los patógenos. "Cuando el virus infecta, no tiene el mismo código genético que nuestras células [ E. coli modificadas], y entonces no puede fabricar sus propias proteínas y no puede propagarse", dijo Robertson.
Pero, de nuevo, el objetivo principal del estudio era reprogramar los codones liberados para generar nuevas proteínas. Para ello, el equipo generó moléculas de ARNt que se emparejaron con aminoácidos no naturales de su propio diseño; 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 colocándolos dentro de pequeños bucles de ADN, llamados plásmidos, que pueden insertarse en la bacteria sin alterar su genoma.
Los plásmidos, el ARNt y los aminoácidos no naturales proporcionaron a los investigadores todos los planos, herramientas y materiales que necesitaban las células para construir proteínas de diseño. "Así se pueden fabricar proteínas en una célula de forma programable, basándose en el ADN que proporcionamos a la célula, con 23 bloques de construcción", en lugar de 20, dijo Robertson. "Es un sistema bastante "plug-and-play".
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Otros grupos de investigación han intentado introducir aminoácidos no naturales en las proteínas 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 número de Science. Por ejemplo, el laboratorio de Chatterjee emparejó con éxito aminoácidos no naturales con los codones de parada en E. coli, pero este método solo les permitió insertar estos aminoácidos no naturales en un solo sitio en la proteína final, informaron en un estudio de 2019 en el Journal of the American Chemical Society.
Ahora, con el nuevo método, los científicos pueden empezar a ampliar los límites de las proteínas y los polímeros que pueden construir, dijo Chatterjee a Live Science. "Queda a la imaginación. ¿Qué aspecto podrían tener esos aminoácidos? "¿Qué tipo de química podrían tener, qué funcionalidades podrían tener, a las que la naturaleza nunca tuvo acceso?".
Mirando hacia el futuro, los científicos podrían eliminar aún más codones del genoma de E. coli, liberando aún más canales para la construcción de proteínas de diseño, dijo Robertson. Pero por ahora, tres canales abiertos son suficientes para trabajar, dijo. "¿Necesitamos siete canales abiertos? ¿O son suficientes tres canales abiertos para ampliar realmente lo que podemos hacer, en términos de proporcionar nuevas aplicaciones?", dijo. "Es beneficioso centrarse sólo en las aplicaciones ahora".
