Incrementando el alfabeto genético

Por Kate Yandell, Publicado en The Scientist el 7 de Mayo de 2014

Por primera vez, se replican dentro de las bacterias vivas pares de bases de ADN sintéticos.

Los organismos vivos tienen dos pares de pares de bases de ADN: adenina emparejada con timina y citosina con guanina — juntos codifican los 20 aminoácidos utilizados para sintetizar  las proteínas en las células. Unos científicos del Scripps Research Institute (TSRI) en La Jolla, California, han introducido un par de bases sintético en el ADN de la bacteria Escherichia coli, ampliando considerablemente la capacidad de codificar información del ADN. El ADN que contiene los nuevos pares de bases se puede replicar dentro de las bacterias, según un artículo publicado el 7 de mayo en la revista Nature. El trabajo aporta el objetivo de crear células con elementos de ADN sintéticos que pueden producir proteínas con un conjunto ampliado de aminoácidos.

Ichiro Hirao, un biólogo sintético del centro Life Science Technologies de RIKEN en Japón, ha declarado que: «este es el primer trabajo que demuestra la posibilidad de que los organismos vivos puedan tener ADN realmente artificial con un alfabeto genético expandido». Hirao no ha estado involucrado en el estudio, pero también está trabajando para incorporar pares de bases sintéticas en los organismos vivos.

Floyd Romesberg, un biólogo sintético del TSRI, coautor del trabajo, ha dicho: «Lo que hemos conseguido con éxito es una célula que alberga un aumento estable  de información genética… Lo que queremos hacer, y en lo que mi laboratorio está ya trabajando, es utilizar esa información».

Con la ayuda de más de una docena de estudiantes graduados y postdoctorales, Romesberg dedicó los últimos 15 años a sintetizar y probar 300 nucleótidos artificiales para determinar que par sería el más estable y replicable. Al igual que los nucleótidos naturales, los nucleótidos sintéticos constan cada uno de un azúcar de cinco carbonos, un grupo fosfato y una base. Pero a diferencia de las bases naturales que permiten a los nucleótidos emparejarse a través de enlaces de hidrógeno, las bases artificiales a veces dependen de una química diferente. Los investigadores finalmente colocaron en el ADN de la bacteria unos nucleótidos artificiales, que se unen a través de interacciones hidrofóbicas. Las diferencias químicas entre los nucleótidos naturales y los sintéticos impiden el emparejamiento de unos con los otros. Los investigadores fueron capaces de incorporar un par de bases artificial al ADN y replicar el ADN así sintetizado en un tubo de ensayo.

Los nucleótidos de ADN contienen un grupo fosfato. Pero antes de incorporarse al ADN, deben tener dos fosfatos adicionales. Estos fosfatos adicionales se quitan cuando se añade el nucleótido al ADN, proporcionando energía necesaria para la reacción. En principio los investigadores pensaron que, en E. coli, los tres grupos fosfato podrían añadirse a un azúcar y una base no natural, formando un nucleósido. Pero después de intentar crear nucleósido trifosfatos dentro de la célula, los investigadores trataron de conseguirlo con un nuevo enfoque.

Ciertas bacterias y orgánulos intracelulares dentro de las algas no crean sus propios nucleótidos. Por el contrario, importan nucleósido trifosfatos de sus entornos mediante proteínas de transporte de membrana. Romesberg y sus colegas probaron varios transportadores de trifosfato y encontraron que uno de un Plastidio de una diatomea, podía importar trifosfatos sintéticos en E. coli. Añadieron un gen para transportar a E. coli en un plásmido logrando que las células incorporasen los trifosfatos.

Romesberg pensó que seguía habiendo muchos retos adicionales, incluyendo el hecho de que las polimerasas de ADN de la célula reconocieran y replicasen los pares de bases y la prevención de mecanismos de reparación del ADN de las células para impedir que  los nuevos nucleótidos fuesen reconocidos como aberrantes. Pero, para sorpresa del equipo, los plásmidos antinaturales inmediatamente comenzaron a replicar.

Rosember señalo que: «Una vez que tuvimos los trifosfatos en la célula, entonces realmente pensamos que nuestro trabajo comenzaría, pero bastante sorprendentemente la primera vez funcionó».

Las bacterias E. coli fueron capaces  de replicar los plásmidos que contienen ADN sintético mientras fueron alimentadas con los trifosfatos. Las bacterias solamente perdieron lentamente sus pares de bases sintéticas después de retirar los trifosfatos sintéticos del medio de cultivo.

El equipo ha desarrollado «una forma muy inteligente para resolver el problema de la ingeniería metabólica de los trifosfatos», dijo Steven Benner, biólogo sintético de la  Foundation for Applied Molecular Evolution in Gainesville, Florida, no involucrado en el estudio.

Romesberg y sus colegas están trabajando ahora para conseguir enzimas ARN polimerasas capaces de transcribir el ADN sintético en ARNs mensajeros. Esperan diseñar células capaces de transcribir los ARNs de transferencia capaces de leer los nuevos codones y sintetizar el ensamblado de aminoácido en las proteínas. Romesberg sugirió que los biólogos sintéticos eventualmente pueden ensamblar proteínas tanto con aminoácidos naturales actualmente no utilizados en las proteínas como con aminoácidos sintetizados en el laboratorio. Añadió que Synthorx, una empresa creada a propósito de su trabajo y de la que el fue su fundador, pretende producir del trifosfatos sintéticos.

Benner reconoció que este trabajo es un paso importante hacia la creación de proteínas no naturales dentro de células, lo que se ha considerado una apuesta arriesgada por algunos investigadores.

Referencia

D.A. Malyshev et al., “A semi-synthetic organism with an expanded genetic alphabet,” Nature, doi:10.1038/nature13314, 2014. [enlace]