Hace 15 años J. Craig Venter, Clyde Hutchison III y Hamilton Smith se preguntaron si era posible construir un genoma de manera completamente artificial, desde el diseño hasta el ensamblaje, y crear vida a partir de él.
La respuesta apareció en la revista Science Express (www.sciencexpress.org / 20 May 2010 / Page 1 / 10.1126/science.1190719).
En dicho artículo científico, 24 investigadores del J. Craig Venter Institute, reportaron por primera vez en los anales de la ciencia la construcción de un genoma bacteriano completo, a partir de la secuencia disponible en los bancos de genes, y su exitosa inserción en bacterias de otra especie. Exitosa, porque el genoma artificial tomó el control genético de la bacteria recipiente, y, en alrededor de 30 divisiones celulares, las bacterias hijas sólo contenían proteínas producidas a partir del genoma artificial. Denominaron a estas nuevas bacterias como “células artificiales”.
Las bacterias son organismos unicelulares de estructura considerablemente más simple que las células de los otros seres vivos. Carecen de núcleo y de los otros organelos delimitados por una membrana celular, los que sí están presentes en todas las otras células de lo vivo. Además, poseen muy pocos genes y su genoma tiene una estructura más simple, dispuesto en un solo cromosoma circular. En comparación, la mosca de la fruta posee 8 cromosomas, el ratón de laboratorio 40 y los seres humanos 44.
El primer paso en este proyecto fue la construcción de un genoma artificial, lo que partió con la secuenciación completa del genoma de la bacteria Mycoplasma genitalium. Esto permitió, entre otras cosas, verificar la validez del concepto de genoma mínimo. Todas las células poseen genes que no tienen función, y de los 485 genes de M. genitalium, los investigadores demostraron que se podía eliminar 100, sin afectar la viabilidad, si se hace secuencialmente y eliminando uno por vez.
Esto apoyó la idea de construir un genoma con los genes esenciales para que esta bacteria funcione, eliminando los segmentos de ADN sin función conocida o esencial.
El trabajo en Mycoplasma genitalium fue importante también porque generó la tecnología de transferencia del genoma bacteriano completo. Transferir segmentos cortos de ADN, y genes individuales, es un asunto tan sencillo que se hace en los laboratorios de docencia de pregrado desde hace varios años. Pero fue el trabajo de estos investigadores en Mycoplasma genitalium el que desarrolló la tecnología, publicada en 2007, para transferir el genoma completo de una bacteria a otra, conservando su funcionalidad. El cromosoma bacteriano debe transferirse atravesando la membrana celular, sin perder la estructura que mantiene la información genética. Los procedimientos de laboratorio permiten modificar la permeabilidad de la membrana para permitir la entrada de las enormes moléculas de ADN, recuperándose posteriormente las funciones celulares.
Originalmente, se eligió trabajar con M. genitalium porque su genoma es muy pequeño, lo que facilitaba las cosas. De hecho, con alrededor de 600 mil pares de bases nitrogenadas posee el genoma más pequeño entre microorganismos que crecen fácilmente en el laboratorio.
Pero, el problema que presentó M. genitalium para continuar estas investigaciones, es que se replica muy lentamente. Una decisión estratégica importante en esta línea fue entonces cambiarse a una bacteria con un ciclo de vida más corto, que permitiera avanzar más rápidamente: el Mycoplasma mycoides.
El genoma de M. mycoides posee un poco más de 1 millón de pares de bases nitrogenadas, dispuestas en una secuencia lineal de los 4 ladrillos o letras del alfabeto genómico: adenina, guanina, timina y citosina. El orden de la secuencia de estas 4 bases codifica la información de los genes en todos los seres vivos.
La secuenciación del genoma de M. mycoides permitió comenzar a construir una copia completa, hecha en el laboratorio, a partir de la secuencia descrifrada.
La primera parte de la construcción del genoma fue dividirlo en segmentos más cortos, de alrededor de 1000 bases. Se encargó entonces a una empresa externa la síntesis química de estos segmentos cortos del genoma de M. mycoides.
¿Y qué se hizo con el millar de pedazos del genoma de M. mycoides?
Se los ensambló por etapas, usando la maquinaria sintética de un hongo, la levadura Saccharomyces cerevisiae, y de la bacteria Eschericchia coli.
Los pedazos del genoma se recombinaron en la levadura y se transfirieron a E. coli. La E. coli produce segmentos cortos de ADN conocidos como plásmidos. Con las señales adecuadas, las secuencias exógenas de ADN se replican y aparecen en forma de plásmidos, los que luego se pueden aislar y caracterizar. En este caso, se obtuvo ensambles correctos de alrededor de 10 mil bases cada uno, a partir de los segmentos iniciales de 1000 bases.
El ensamble de los segmentos de 10 mil bases en otros de 100 mil bases se hizo en levaduras, y permitió obtener 11 grandes trozos de ADN correspondientes al genoma total de M. mycoides.
Para introducir estos 11 segmentos en células de levadura, donde ocurriría el ensamblaje posterior, se usó un procedimiento inédito, diseñado y puesto en práctica por los mismos investigadores, que significó someter a las levaduras a condiciones que aumentaron la permeabilidad de su membrana celular externa, para que estos enormes trozos de ADN disueltos en el medio de cultivo entraran al citoplasma. Una vez en la célula, los trozos de ADN se recombinaron produciendo un cromosoma extra, con el genoma de la bacteria M. mycoides.
Después de aislar y purificar el cromosoma con el genoma de M. mycoides desde las levaduras, se lo trasplantó a células de Mycoplasma capricolum.
Al cabo de varios meses, las proteínas de M. mycoides habían reemplazado a las nativas de M. capricolum en las células recipientes, lo que demostraba que el genoma artificial, diseñado y producido enteramente en el laboratorio, estaba funcionando “normalmente”. Había nacido una estrella, la primera “célula sintética”. En realidad, la primera “bacteria sintética”.
Si bien es posible que no se pueda hablar de un “célula sintética”, ni de una “bacteria sintética”, en el sentido más estricto del lenguaje, la creación en el laboratorio de un genoma bacteriano, a partir de la secuencia original modificada, y su posterior trasplante a bacterias de otra especie que se reproducen indefinidamente expresando los nuevos genes, es un hito en la ingeniería genética.
El proyecto completo, desde las primeras preguntas hasta la publicación en Science, tomó algo más de 15 años para desarrollar todas las etapas y tecnologías que permitieron sintetizar el genoma completo, y trasplantarlo a una bacteria recipiente conservando su funcionalidad. E involucró a 24 científicos trabajando con un presupuesto total de 40 millones de dólares.
Las posibilidades que abre la tecnología que permite trasplantar un genoma completo fabricado en el laboratorio, a una bacteria receptora, son enormes y desconocidas.
En este caso, se trató de un genoma fabricado artificialmente pero que es una copia esencialmente idéntica al original, con la excepción de la eliminación de algunos genes no esenciales.
La empresa que cobijó este proyecto manifestó desde el comienzo que su objetivo es el diseño de un genoma, no sólo copiarlo del original. Se busca producir bacterias con un nivel de modificación genética inédito, para usos comerciales que sólo podemos vislumbrar.
Parece inevitable que se llegue a una bacteria con un genoma totalmente diseñado en el laboratorio, diferente a todo lo que existe en la naturaleza. Estaremos en presencia de una bacteria diseñada enteramente en el laboratorio, desde su genoma, cuya liberación a la biósfera será inevitable. ¿Qué impacto tendrán estas especies creadas de novo en el laboratorio, sobre los ecosistemas?
Y luego vendrán los genomas humanos artificiales. Primero serán las células humanas con genomas artificiales. Hasta que alguien introduzca un genoma artificial a un óvulo humano y se lo fertilice in vitro.
Nadie puede predecir qué pasará. Esta nueva área ya tiene nombre: la biología sintética. Y está en pañales, así como lo está la reflexión bioética en éste y muchos campos de la biotecnología.
Referencia
http://www.sciencemag.org/cgi/content/abstract/science.1190719v1
