Racionalización del código genético de E. coli
CIENCIA, CHRIS BICKELEl código genético normalmente contiene 64 codones, pero investigadores de la Universidad de Harvard y sus colegas han diseñado una Escherichia coli genoma con solo 57 codones, reemplazando a los demás al por mayor. En un artículo publicado hoy (18 de agosto) en Science, el equipo describe el genoma generado por computadora e informa sobre las primeras fases de su síntesis en el laboratorio.
“Nosotros crear algo que realmente empuje el límite de los genomas” Nili Ostrov, coautor del estudio y postdoctorado en el laboratorio de George Church en Harvard, le dijo a The Scientist. “La idea es que esto es completamente nuevo y estamos tratando de ver si es viable”
En los 57 codones planeados E. coli, cada uno de los siete codones eliminados se intercambia por uno sinónimo. El equipo tiene una serie de objetivos para el proyecto. Una vez que la E. coli se reduce a 57 codones, los siete codones en blanco se pueden reintegrar…
Un genoma recodificado también imparte resistencia a la infección viral y se puede utilizar para la biocontención: el ADN incorporado de tipo salvaje E. coli o los virus no se pueden usar para construir proteínas con éxito cuando los ARN de transferencia (ARNt) insertan un aminoácido no estándar en respuesta a un codón determinado. Uno o más de los codones libres también podrían recodificarse en un aminoácido solo disponible en el laboratorio, lo que hace que el E. coli dependiente metabólicamente de los medios proporcionados por los científicos.
Ponimos mucho cuidado y pensamos en cómo desarrollar métodos, dijo Ostrov, señalando las preocupaciones de seguridad y biocontención del proyecto. Lo que estamos tratando de hacer es trazar aguas desconocidas.
Para diseñar el genoma, el equipo de investigación creó una herramienta de software que reemplazó cada instancia de los siete codones con un codón sinónimo en un tramo de ADN que podría sintetizarse. en un laboratorio. En total, el diseño del genoma recodificado tenía 62.214 reemplazos de codones en 3.548 genes. Podría decirse que es el proyecto de ingeniería del genoma más grande y radical, dijo Church a The Scientist.
Con el genoma teórico en la mano, Ostrov y sus colegas comenzaron a probar su diseño en células vivas. Dividieron el genoma recodificado en 87 segmentos, cada uno de unos 50 kb de largo que contenía un promedio de 40 genes, y entregaron el diseño a empresas de biotecnología para sintetizar el ADN. Luego, los investigadores comenzaron a integrar cada segmento en una cepa separada de E. coli y eliminando el ADN de tipo salvaje correspondiente para comprobar su viabilidad.
En principio, se podría hacer esta síntesis del genoma completo in vitro y luego trasplantar el genoma, dijo Church. En cambio, su equipo desarrolló un canal para obtener retroalimentación en tiempo real de las células vivas: explicó que el ensamblaje ocurre con el motor en marcha.
En su artículo, los investigadores revisan los resultados de esta validación para 55 de los 87 segmentos del genoma, que cubren el 63 por ciento del genoma recodificado. El diseño computacional inicial para el genoma recodificado no era del todo perfecto: 13 genes esenciales tenían errores fatales que mataron a la E. coli cuando se eliminó el segmento de ADN de tipo salvaje.
Anticipamos que habría las llamadas posiciones sinónimas o silenciosas que en realidad no son sinónimas o silenciosas, donde se superpondrían con elementos reguladores o secundarios. estructuras, dijo Church. Para resolver estos errores, los investigadores identificaron cada codón problemático individual y probaron el reemplazo, pero aún las secuencias sinónimas.
Es un poco sorprendente ver cuán plástico podría ser el genoma, Patrick Cai, biólogo sintético de la Universidad de Edimburgo. que no participó en el trabajo, escribió en un correo electrónico a The Scientist. También es muy emocionante ver [que] tecnologías como el diseño computacional, la síntesis de novo y el ensamblaje, así como una gama de ensayos de fenotipado, ahora están maduros para soportar la refactorización del genoma a esta escala.
El equipo aún debe terminar de validar el resto de los segmentos de ADN sintetizados y luego combinarlos in vivo. Este es, por supuesto, un artículo emocionante con avances claros, dijo Patrick ODonoghue, bioquímico de la Universidad Western en Canadá que no participó en el trabajo. ODonoghue señaló dos problemas clave que representan obstáculos futuros para el campo: primero, evitar que los codones de reemplazo vuelvan a mutar al estado original del genoma; en segundo lugar, si los codones se reintroducen algún día con tRNA correspondientes para insertar aminoácidos no canónicos, evitando que los tRNA casi cognados normales los traduzcan también. La cepa en la que están trabajando será útil, pero claramente habrá algunos desafíos tecnológicos, agregó.
El próximo trabajo, que con suerte será pronto, será pulir el genoma y comenzar a probar cosas como la resistencia a multivirus, ver cuántos aminoácidos podemos cargar y confirmar la biocontención, dijo Church.
N. Ostrov et al., Diseño, síntesis y pruebas para un genoma de 57 codones, Science, doi:10.1126/science.aaf3639, 2016.
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