Reescribiendo el código genético de E. coli

Células de E. coli que usan 5-clorouracilo de base sintética en lugar de timinaIG-CEA

Usando un nuevo sistema automatizado para ejercer una fuerte presión selectiva sobre bacterias cultivadas, un equipo de científicos europeos ha desarrollado una nueva cepa de E. coli que carece casi por completo de timina, una de las cuatro bases del alfabeto del ADN. En cambio, las bacterias contienen una base sintética estructuralmente similar, 5-clorouracilo.

Los resultados, publicados en una edición reciente de Angewandte Chemie International Edition, sugieren una nueva forma de incorporar elementos en organismos vivos, un desafío técnico en biología sintética que aún no ha visto aplicaciones industriales.

“Han demostrado que tienen un buen control del proceso de evolución” dijo el genetista molecular George Church de la Universidad de Harvard, quien no participó en la investigación. “¡Darwin estaría muy orgulloso!”

Los organismos evolucionan como resultado de mutaciones aleatorias que proporcionan una ventaja (o desventaja) física sobre sus pares, lo que permite…

Pero estos métodos basados en biología molecular agregan una capa de complejidad que los hace menos atractivos para aplicaciones industriales. Por lo tanto, Philippe Marlire, director general de la empresa de biotecnología Heurisko USA Inc., y sus colegas decidieron alejarse de las mutaciones dirigidas y, en cambio, centrarse en el proceso de selección para alterar la composición química de E. coli.

Específicamente, utilizaron un sistema automatizado que monitoreó la densidad de población de la bacteria a intervalos establecidos y suministró al cultivo un suministro variable de timina y 5-clorouracilan base no natural que normalmente es tóxico para los organismos. Cuando la densidad superó un umbral dado, las células recibieron una inyección de 5-clorouracilo. Si la densidad de población cae por debajo de un umbral mínimo, por otro lado, la bacteria recibiría una inyección de timina. El resultado fue un cultivo que estuvo constantemente expuesto a niveles subletales de 5-clorouracilo. A medida que la bacteria desarrolló tolerancia a la sustancia, el sistema aumentó automáticamente las inyecciones de 5-clorouracilo, pero nunca tanto como para matar a toda la población. En esencia, el sistema estaba seleccionando variantes genéticas capaces de tolerar concentraciones cada vez más altas de la sustancia tóxica.

Es un poco como un entrenador que pone a un atleta en una cinta rodante con un monitor cardíaco, explicó Church. A medida que el atleta se vuelve más fuerte, el entrenador empuja la cinta de correr.

Debido a que el 5-clorouracilo es muy similar a la timina, con un solo cloro reemplazando el grupo metilo de la timina, a medida que las células desarrollaron tolerancia a la base sintética, comenzaron a incorporarla a su ADN durante la replicación. Después de unas 1000 generaciones, que duraron unos 140 días, los investigadores habían desarrollado una E. coli en la que el 5-clorouracilo había reemplazado el 98 por ciento de la timina. Sobreestimamos la resistencia de la naturaleza, dijo Marlire. En 5 meses, logramos cambiar la composición química de las bacterias.

Es importante destacar que las bacterias estaban sanas y crecían a un ritmo sostenible.  En comparación, los intentos anteriores para una subestación base de este tipo solo habían logrado una tasa de reemplazo de alrededor del 90 por ciento y habían obstaculizado el crecimiento bacteriano.

Además, debido a que el sistema está completamente automatizado y opera con grandes poblaciones de E. coli, se puede ampliar fácilmente para futuras aplicaciones industriales potenciales. Si bien el experimento actual fue una prueba científica de concepto, dijo Marlire, que aún no se ha implementado en la industria, los investigadores finalmente esperan generar nuevos organismos que alberguen rasgos metabólicos optimizados para la biorremediación, modos alternativos de producción de energía o para la síntesis de productos químicos de alto valor a escala industrial.

P. Marlire et al., Chemical Evolution of a Bacteriums Genome, Angewandte Chemie, 123:724752, 2011.

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