Tercer Milenio

Rediseñando la vida: una levadura de cerveza con la mitad de su genoma sintético

Se han logrado fabricar artificialmente los 16 cromosomas de este microorganismo e introducir la mitad en una cepa que es viable y se reproduce.

Imagen de microscopía electrónica de barrido de la levadura de cerveza (Saccharomyces cerevisiae).
Imagen de microscopía electrónica de barrido de la levadura de cerveza (Saccharomyces cerevisiae).
Mogana Das Murtey and Patchamuthu Ramasamy

Un consorcio internacional en el que participan más de 250 científicos de equipos de investigación de distintos países ha logrado crear versiones artificiales de todos los cromosomas de la levadura de cerveza e introducir más de la mitad de ellos en una cepa que es viable y se reproduce de forma normal. Los resultados de este laborioso trabajo, que culmina uno de los objetivos del proyecto del genoma sintético de la levadura (Sc2.0), han sido presentados este mes de noviembre en 10 artículos en las revistas ‘Cell’, ‘Cell Genomics’ y ‘Molecular Cell’.

No se trata de vida artificial. El consorcio no ha creado una célula, sino que ha fabricado en el laboratorio los cromosomas de la levadura desde cero y los ha incorporado en una célula ya existente. Este hito abre la puerta a entender cómo se estructura, funciona y evoluciona un genoma complejo. Y, por otro lado, podría permitir introducir grandes cambios genéticos en un organismo, con evidentes aplicaciones biotecnológicas, tanto en agricultura como en medicina.

Hasta la fecha, se habían sintetizado de forma artificial en el laboratorio genomas de virus y de bacterias, mucho más pequeños en tamaño. En cambio, la levadura de cerveza (Saccharomyces cerevisiae), un hongo unicelular que se utiliza para la fabricación de pan, cerveza y vino, es el primer organismo eucariota en el que se construye artificialmente todo su genoma.

Los eucariotas, entre los que se encuentran los animales, las plantas y los hongos, tienen células con núcleo y genomas mucho más complejos que los de las bacterias. Mientras estas poseen un único cromosoma circular, disperso en el citoplasma, nuestras células –o las levaduras– encierran en su núcleo distintos cromosomas lineales. Tanto la estructura de los cromosomas como sus funciones son complejas y están interrelacionadas. De aquí que el trabajo del proyecto del genoma sintético de la levadura haya sido titánico y haya ocupado a centenares de investigadores durante más de una década.

Creando cromosomas desde cero

La levadura Saccharomyces cerevisiae tiene un genoma formado por 16 cromosomas. Los investigadores del proyecto del genoma sintético no han reescrito de nuevo su texto letra a letra, sino que han tomado como modelo los cromosomas naturales para fabricar versiones de ellos de forma artificial en el laboratorio.

Este ambicioso proyecto se inició en 2006. En 2011 se construyó el primer brazo sintético de un cromosoma –un brazo es una mitad de un cromosoma– y en 2014 se presentó el primer cromosoma sintético entero, basado en el cromosoma III de la levadura (synIII), lo que representaba obtener mediante técnicas de biología sintética el 2,5% de los 12 millones de pares de bases (letras) del genoma de S. cerevisiae. Tres años después ya se habían sintetizado cinco cromosomas adicionales (synII, synV, synVI, synX, y synXII) y este mes se ha anunciado que se había completado el resto, hasta llegar a 16: ocho cromosomas sintéticos se detallan en los trabajos publicados el 8 de noviembre y la descripción de los dos restantes se publicará probablemente antes de finalizar el año.

Cada uno de los 16 cromosomas sintéticos (synI-synXVI) se ha ensamblado en una cepa distinta de levadura, demostrando que se pueden fabricar desde cero y que las cepas portadoras –en las que se ha reemplazado un cromosoma natural por su sintético correspondiente– eran viables.

La prueba definitiva de que los cromosomas artificiales pueden sustituir a los naturales sería una cepa de levadura con todos sus cromosomas reemplazados por las versiones artificiales. De momento, los investigadores han llegado hasta poco más de la mitad del camino.

Para lograrlo, fueron cruzando cepas que contenían cromosomas artificiales hasta obtener una cepa con seis cromosomas artificiales (synII, synIII, synV, synVI, synX, y synXII) y la mitad de otro (el brazo derecho del cromosoma synIX). La cepa, denominada syn6.5, se dividía de forma más lenta que una normal debido a una serie de cambios genéticos. Los investigadores pudieron localizar las mutaciones responsables y corregirlas con un nuevo método desarrollado (Crispr-D-Bugs), y así consiguieron una cepa que crecía como una normal.

Finalmente emplearon otro método para transferir el cromosoma artificial más grande (synIV), sustituyendo el normal, y creando la cepa syn7.5 con más de la mitad de su genoma sintético. Los científicos trabajan actualmente para incorporar el resto de cromosomas sintéticos y, según el genetista Jef D. Boeke de la Universidad de Nueva York, director del proyecto, obtener antes de un año una levadura con todo su genoma sintético.

Los primeros genomas sintéticos

El primer genoma sintetizado artificialmente en el laboratorio fue el de un virus. En 2002, el equipo del biólogo Craig Venter recreó con técnicas de biología sintética el pequeño genoma del bacteriófago Phi-X 174, un virus existente en la naturaleza que infecta a la bacteria intestinal Escherichia coli. Este logro histórico demostró que era factible ensamblar con herramientas de biología molecular los poco más de cinco mil pares de bases (5kb) del genoma de Phi-X 174 a partir de fragmentos sintéticos más pequeños. 

Al final del estudio, Venter proponía que sería factible ensamblar genomas más grandes uniendo segmentos de 5 a 6 kb ensamblados previamente por separado; se necesitarían aproximadamente 60 de estos fragmentos para un genoma celular pequeño. 

Tardó seis años en lograrlo y lo hizo sintetizando con este método las casi 583 kb del genoma de Mycoplasma genitalium, una bacteria patógena que produce infecciones de transmisión sexual y que por entonces era el organismo conocido con el menor número de genes. El genoma, denominado JCVI-1.0, era prácticamente idéntico al genoma de la cepa original; no obstante, incorporaron en él una serie de ‘marcas de agua’ para distinguirlo. El paso siguiente era introducirlo en una bacteria para ver si, como un programa de ordenador, podía iniciar las funciones celulares normales. No obstante, M. genitalium crece muy lentamente y los investigadores decidieron cambiar de genoma. 

En 2010 sintetizaron el genoma de Mycoplasma mycoides (el doble de largo) y lo implantaron en una cepa de M. capricolum a la que se había eliminado su ADN. Después de meses de pruebas infructuosas, lograron obtener una colonia de bacterias que crecía en cultivo. Synthia, como la denominaron, no era una forma de vida sintética, sino la primera célula con un genoma sintético porque este se introdujo en una célula ya existente.

A medio camino entre ingeniería y biología

La biología sintética es una disciplina científica a medio camino entre la ingeniería, de la que aplica sus principios, y la biología. Tiene como objetivo la modificación de los sistemas vivos a múltiples niveles, desde las moléculas a los organismos, desarrollando nuevos componentes o rediseñando los ya existentes, con finalidades prácticas. Entre ellas se encuentran el desarrollo de sistemas vivos que, entre otras funciones, puedan procesar información, produzcan determinadas sustancias, fabriquen materiales y estructuras, transformen productos químicos, sirvan de alimento o ayuden a mejorar la salud humana. Estos desarrollos también pueden servir para avanzar en nuestro conocimiento sobre el funcionamiento de los sistemas vivos.

Los orígenes de la biología sintética se remontan a los años 70 del siglo pasado, cuando se desarrolló la ingeniería genética que permitía cortar fragmentos de ADN de un organismo, unirlos con otros, e introducirlos generalmente en un microorganismo como una bacteria para dotarla de nuevas funciones; por ejemplo, la capacidad de producir una hormona humana como la insulina. La ingeniería genética emplea herramientas que se encuentran de forma natural en los microorganismos, como por ejemplo enzimas que permiten cortar y pegar el ADN o sintetizar y copiar fragmentos.

A principios de los 2000, los científicos empezaron a diseñar módulos de ADN que se podían combinar entre sí para construir circuitos genéticos artificiales. Los componentes individuales (o bloques de construcción) son secuencias de ADN con funciones definidas, por ejemplo un promotor que actúa a modo de interruptor, regulando el encendido y apagado de la actividad de un gen. Una vez ensambladas las partes en un circuito genético, el fragmento de ADN sintético se introduce en una célula viva para crear un nuevo sistema biológico. En enero de 2000, dos artículos en la revista ‘Nature’ describieron los primeros circuitos biológicos sintéticos diseñados en la bacteria Escherichia coli: un interruptor genético y un reloj biológico.

Entre los módulos de ADN que se pueden combinar, como piezas de un juego de construcción, se encuentran los BioBricks, diseñados inicialmente por el ingeniero y biólogo Tom Knight, uno de los padres de la biología sintética. Gracias a estas piezas genéticas, a partir de mediados de la década de los 2000, la biología sintética tomó altura como disciplina. Iniciativas como la de la fundación sin ánimo de lucro BioBricks, creada en 2006, sirvieron para desarrollar bibliotecas de piezas y métodos estandarizados de ensamblaje que permiten a distintos equipos de investigadores reutilizar las piezas diseñadas por otros.

A partir de 2012, la biología sintética experimentó otra revolución con el desarrollo del sistema de edición genética Crispr-Cas9. Con esta herramienta, los científicos pueden manipular el ADN de un organismo a voluntad y de forma muy precisa, introduciendo cambios (o correcciones) en posiciones concretas. En los últimos años se han diseñado nuevas herramientas de edición del genoma cada vez más precisas que están acelerando los desarrollos en biología sintética, junto con la aplicación de la inteligencia artificial en las etapas de diseño y optimización, y de métodos automatizados de alto rendimiento para el ensamblaje de ADN.

Un ‘neocromosoma’

Los investigadores han construido un decimoséptimo cromosoma totalmente nuevo. En él han colocado los 275 genes que contienen la información necesaria para producir los ARN de transferencia (ARNt), unas pequeñas moléculas esenciales para la síntesis de proteínas. Su función es la de transportar los aminoácidos –los componentes básicos de estas– hacia los ribosomas, donde se ensamblan para fabricar las proteínas siguiendo las instrucciones codificadas en el ARN mensajero. Normalmente los genes de los ARNt se localizan en los distintos cromosomas y, aunque las células los necesitan para la síntesis de proteínas, son puntos críticos del genoma donde a menudo se produce daño en el ADN en forma de roturas. Concentrándolos en este ‘neocromosoma’, los investigadores los han eliminado del resto para así aumentar la estabilidad de los cromosomas sintéticos, y demuestran que se puede reubicar un gran número de genes sin alterar su función.

Para simplificar el genoma de la levadura y hacerlo más estable también han eliminado los intrones, los fragmentos de los genes que no contienen información para la fabricación de proteínas, y los transposones o elementos genéticos móviles, que son segmentos de ADN que pueden saltar de un sitio a otro del genoma, alterando otras secuencias de ADN. Finalmente, en otros estudios, han introducido modificaciones en la estructura de los cromosomas para estudiar cómo la conformación 3D de estos afecta a su función; una cuestión importante para entender algunas enfermedades humanas.

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