Aumento del alfabeto genético
SYNTHORXLos organismos vivos tienen dos conjuntos de pares de bases de ADN: adenina junto con timina y citosina junto con guanina, que juntos codifican los 20 aminoácidos que se usan para producir proteínas en la célula. Ahora, los científicos del Instituto de Investigación Scripps (TSRI) en La Jolla, California, han introducido un par de bases sintéticas en Escherichia coli, ampliando enormemente la información que el ADN puede codificar. El ADN que contiene el nuevo par de bases puede replicarse dentro de la bacteria, según un artículo publicado hoy (7 de mayo) en Nature. El trabajo avanza en el objetivo de crear células con elementos de ADN sintético que puedan producir proteínas elaboradas con un conjunto ampliado de aminoácidos.
“Este es el primer artículo que muestra la posibilidad de que los organismos vivos puedan tener ADN con [un] alfabeto genético expandido” Ichiro Hirao, biólogo sintético del Centro RIKEN para Tecnologías de Ciencias de la Vida en Japón, escribió en un correo electrónico a…
Lo que hemos hecho es finalmente obtener con éxito una célula que alberga de manera estable mayor información genética, dijo el coautor del estudio Floyd Romesberg, biólogo sintético en TSRI. Lo que queremos hacer a continuación, y en lo que mi laboratorio ya está trabajando, es . . . para recuperar esa información.
Con la ayuda de más de una docena de estudiantes graduados y posdoctorados, Romesberg pasó los últimos 15 años sintetizando y probando 300 nucleótidos artificiales para determinar cuál sería el par 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 que los nucleótidos se emparejen a través de enlaces de hidrógeno, las bases artificiales a veces dependen de una química diferente. Los investigadores finalmente decidieron usar nucleótidos artificiales que se unen a través de interacciones hidrofóbicas. Las diferentes químicas entre los nucleótidos naturales y sintéticos evitan que se emparejen mal entre sí. Los investigadores pudieron incorporar un par de bases artificiales en el ADN y replicar el ADN sintético en un tubo de ensayo.
El siguiente desafío fue incorporar pares de bases artificiales en el ADN que se replicaría dentro de una célula viva. Los investigadores insertaron ADN con nucleótidos no naturales en plásmidos, que E. coli. Pero todavía tenían que descubrir cómo alimentar a las células con nuevos nucleótidos no naturales para que pudieran replicar el ADN.
Los nucleótidos dentro del ADN contienen un grupo fosfato. Pero antes de incorporarse al ADN replicante, deben tener dos fosfatos adicionales. Estos fosfatos adicionales se eliminan a medida que se agrega el nucleótido al ADN, proporcionando energía para impulsar la reacción. Al principio, los investigadores pensaron que, dentro de E. coli, los tres grupos fosfato podrían agregarse a una base no natural de azúcar, llamada nucleósido. Pero después de luchar para crear nucleósidos trifosfato dentro de la célula, los investigadores dieron con un nuevo enfoque.
Ciertas bacterias intracelulares y organelos dentro de las algas no crean sus propios nucleótidos. Más bien, importan trifosfatos de nucleósidos clave de sus entornos a través de proteínas de transporte de membrana. Romesberg y sus colegas probaron varios transportadores de trifosfato y finalmente descubrieron que uno, a partir de un plástido en una diatomea, podía importar trifosfatos sintéticos a E. coli. Agregaron un gen para el transportador a E. coli en un plásmido y optimizó el alimento de las células para que ingieran los trifosfatos.
Romesberg pensó que aún quedaban muchos desafíos adicionales, incluido lograr que las ADN polimerasas de las células reconocieran y replicaran los pares de bases y evitando que los mecanismos de reparación del ADN de las células reconozcan los nuevos nucleótidos como aberrantes. Pero, para sorpresa de los equipos, los plásmidos no naturales comenzaron a replicarse inmediatamente.
Una vez que tuvimos los trifosfatos en la célula, realmente pensamos que nuestro trabajo comenzaría, pero sorprendentemente funcionó la primera vez. , dijo Romesberg.
El E. coli siguió replicando plásmidos que contenían ADN sintético siempre que se les alimentara con trifosfatos. Las bacterias perdieron lentamente sus pares de bases sintéticas después de que se eliminó su alimento de trifosfato sintético.
El equipo ha diseñado una forma extremadamente inteligente de evitar el problema de diseñar un metabolismo para producir [trifosfatos], dijo Steven Benner, un biólogo sintético de la Fundación para la Evolución Molecular Aplicada en Gainesville, Florida, que no participó en el estudio.
Romesberg y sus colegas ahora están trabajando para lograr que las polimerasas de ARN transcriban el nuevo ADN en ARNm. Luego esperan diseñar células para que transcriban ARNt que leerán nuevos codones y traducirán nuevas secuencias de aminoácidos en proteínas. Romesberg sugirió que los biólogos sintéticos eventualmente construirán proteínas con aminoácidos naturales que actualmente no se usan en proteínas y aminoácidos sintetizados en el laboratorio. Agregó que Synthorx, una empresa creada a partir de su trabajo, y de la cual él fue fundador científico, tiene como objetivo aumentar la producción de trifosfatos sintéticos.
Benner reconoció que este trabajo es un paso importante hacia la creación de trifosfatos no naturales. proteínas dentro de las células, lo que algunos consideraron una posibilidad remota.
El hecho de que [Romesberg] usara la importación de trifosfato y lograra evitar la degradación de los trifosfatos es una idea que desearíamos tener nosotros mismos, dijo Benner.
DA Malyshev et al., Un organismo semisintético con un alfabeto genético expandido, Nature, doi:10.1038/nature13314, 2014.
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