Los investigadores han reprogramado los genes de Escherichia coli para hacerlos resistentes a los virus.

Zoom / Desde el exterior, estas bacterias altamente diseñadas no se ven diferentes de sus contrapartes naturales.

Muchas de las características esenciales de la vida no tienen por qué ser necesariamente las que son. La oportunidad juega un papel importante en la evolución, y siempre hay caminos alternativos que nunca se han explorado, simplemente porque lo que se desarrolló previamente fue lo suficientemente bueno. Un ejemplo de esta idea es el código genético, que convierte la información transportada por nuestro ADN en una secuencia específica de aminoácidos que componen las proteínas. Hay docenas de aminoácidos potenciales, muchos de los cuales pueden formarse espontáneamente, pero la mayoría de la vida usa un código genético basado en solo 20 de ellos.

Durante las últimas dos décadas, los investigadores han demostrado que no tiene por qué ser así. Si proporciona a las bacterias la enzima adecuada y un aminoácido alternativo, pueden usarlo. Pero las bacterias no usarán la enzima y los aminoácidos de manera muy eficiente, ya que todos los agujeros en el código genético ya están en uso.

En un nuevo trabajo, los investigadores han podido modificar el código genético de la bacteria para desbloquear algunas nuevas aberturas. Luego, llenaron esos agujeros con aminoácidos no naturales, lo que permitió que las bacterias produjeran proteínas que nunca existirían en la naturaleza. ¿Un efecto secundario de la reprogramación? Los virus no se pueden reproducir en bacterias modificadas.

perdido en la traducción

El código genético se ocupa de la traducción, durante la cual la información codificada en el ADN se convierte en una proteína funcional. La clave de este proceso es un grupo de pequeñas moléculas de ARN llamadas ARN de transferencia (o ARN). Los ARN transcritos contienen una pequeña pieza de tres bases que puede combinarse mediante el emparejamiento de bases con la información transportada por el ADN. El ARN también se puede unir químicamente a un aminoácido específico en un proceso que es catalizado por enzimas específicas.

Esta combinación, tres bases específicas emparejadas con un aminoácido en particular, es la clave para la traducción, es decir, para hacer coincidir las bases de ADN con un aminoácido específico.

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Un codón de tres bases y cuatro posibles bases (A, T, C y G) da como resultado 64 posibles combinaciones de tres bases, llamadas codones. Tres de esos codones deben desactivar las señales de traducción cuando se alcanza el final de la secuencia que codifica la proteína. Esto deja 61 codones para solo 20 aminoácidos. Como resultado, algunos aminoácidos están codificados por dos, cuatro o incluso seis codones diferentes.

Esta redundancia en el código es lo que apuntó el equipo de investigación, con sede en Cambridge, Reino Unido. Hace unos años, los investigadores edición completa bacterias coli genoma Incluso se liberan algunos codones redundantes. Los investigadores editaron todos los estados de uno de los tres codones de terminación en uno de los otros codones para que ya no hubiera ningún estado para él en todo el genoma. En lugar de usarlo para algo, se editó el codón para redefinirlo.

Los investigadores realizaron experimentos similares con codones para el aminoácido serina. En lugar de dejar seis codones que digan “serina”, los investigadores redujeron el total a solo cuatro cambiando cada uno de los dos estados que apuntaron a un codón de serina diferente.

(Esto puede parecer simple, pero incluso un pequeño genoma como Escherichia coli Tiene miles de cada uno de estos codones repartidos en millones de pares de bases. Editar el código genético es una hazaña técnica impresionante en sí misma).

tolerante al cambio

Si bien las bacterias no usaron los tres codones modificados, aún pudieron. Todas las piezas necesarias para usar los codones (los ARN portadores, las enzimas que les unen los aminoácidos, etc.) todavía estaban allí. Por razones que no están del todo claras, las bacterias modificadas no eran particularmente saludables y crecían más lentamente que su fuente no editada.

Para continuar con su trabajo, los investigadores desarrollaron una cepa para transportar mejor el código genético modificado. Expusieron las bacterias a los mutágenos y luego cultivaron muchas muestras utilizando un sistema automatizado que determinaba cuándo la muestra estaba creciendo bien y continuaba suministrándola con alimentos frescos. (Las bacterias de rápido crecimiento se vuelven turbias, lo que les permite ser identificadas). Después de algunas rondas de picos, se restauró un crecimiento casi normal.

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En ese momento, los investigadores regresaron y eliminaron los genes para la transferencia de ARN y las enzimas que permitían que funcionaran sus tres codones modificados. Con estos cambios realizados, no era que los codones ya no se usaran, ya no se podían usar.

Nuevamente, este problema ralentizó el crecimiento bacteriano, aunque no está claro por qué: o algunos de los genes eliminados tenían otras funciones o hubo instancias de codones que los investigadores pasaron por alto durante la edición. Independientemente, mutaron la bacteria nuevamente y seleccionaron una cepa en la que se restauró gran parte del crecimiento. Cuando todo estuvo hecho, los científicos tenían una cepa que crecía aproximadamente la mitad de lo que crecía naturalmente. bacterias coli. También tienen tres códigos completamente sin usar.

(Por ejemplo, los investigadores también obtuvieron una secuencia del genoma para esta cepa final para ver qué mutaciones ocurrieron durante este proceso. Y aunque se identificaron muchas diferencias, ninguna estaba claramente relacionada con la capacidad de crecer utilizando el código genético modificado. Sin duda, el laboratorio sí lo hizo. en el que desde entonces ha encargado a algunos estudiantes de posgrado que descubran este misterio).

Nuevo código, ¿quién es?

Para asegurarse de que los tres codones no utilizados estuvieran rotos, los investigadores los infectaron con virus. Las proteínas codificadas por estos virus suelen incluir codones no utilizados, por lo que este método proporciona una prueba de si realmente se elimina el uso de codones.

La bacteria pasó la prueba. Ningún virus podría crecer en codones, incluso cuando se vertió una mezcla de cinco virus diferentes en el cultivo al mismo tiempo. Estaba claro que en esta cepa, estos codones simplemente no podían usarse.

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Eso es lo que querían los investigadores en primer lugar (es justo decir que no se propusieron producir bacterias antivirales). Ahora pueden comenzar a usar los tres codones de aminoácidos que la vida en la Tierra normalmente no usa.

Los investigadores proporcionaron a las bacterias algunos aminoácidos no nativos, junto con genes para transferir ARN para unirse a una enzima que haría el empalme. Luego comenzaron a insertar el gen de una proteína no bacteriana que solo podía traducirse utilizando los codones que habían redefinido. Los investigadores confirmaron que la proteína está hecha y que contiene estos aminoácidos no naturales. Incluso hicieron una versión que incluía tres aminoácidos sintéticos diferentes, lo que demuestra que en realidad extendieron el código genético.

Los investigadores también pudieron crear cepas que utilizan un conjunto diferente de tres aminoácidos sintéticos. Por tanto, es posible formar una amplia variedad de cepas, cada una de las cuales está destinada a utilizar un conjunto diferente de aminoácidos sintéticos.

Interesante química de polímeros

Los autores no han pasado a mostrar nada práctico, pero hay muchos usos potenciales. Los aminoácidos sintéticos no pueden catalizar reacciones posibles ni efectivas con el grupo natural de 20. No necesariamente tenemos que diseñar una enzima que incorpore los nuevos aminoácidos; Alternativamente, podríamos simplemente intentar desarrollar la función en cepas con un código genético extendido.

También existe la posibilidad de alguna química de polímeros interesante. En las reacciones químicas que componen la mayoría de los polímeros, generalmente usamos solo un tipo de subunidad de construcción de polímero, ya que no se puede controlar lo que está relacionado con lo que sucede. Pero las proteínas le permiten construir una cadena de polímero con control completo sobre la disposición de cada subunidad porque puede especificar la disposición de los aminoácidos. A través del código genético extendido, podemos controlar a nivel de molécula la formación de polímeros.

Science, 2021. DOI: 10.1126 / Ciencia. abg3029 (Acerca de los DOI).

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