Francis en #rosavientos: Síntesis de un cromosoma artificial de levadura

Dibujo20140429 reinventing chromose 3 yeast - science mag

Ya puedes escuchar el audio de ¡Eureka! en La Rosa de los Vientos de Onda Cero. Como siempre una transcripción, enlaces y algunas imágenes.

La gran noticia de la semana ha sido la creación por vez primera de un cromosoma artificial en una levadura. ¿Podemos decir que se ha abierto la puerta hacia la vida artificial? Se ha logrado un gran avance en biología sintética, pero hablar de “vida artificial” en la actualidad es más un eslogan publicitario que otra cosa. En el año 2010 se habló de la creación de “vida artificial” cuando el equipo del científico Craig Venter (Premio Príncipe de Asturias de Investigación Científica y Técnica 2001) anunció que había logrado crear una bacteria artificial (que llamó Mycoplasma Laboratorium). Pero en realidad lo único que se hizo fue sintetizar una molécula de ADN con un millón de pares de bases e insertarla en otra bacteria. Esta semana se ha publicado en Science un logro similar. Un equipo internacional de científicos dirigido por Jef Boeke, director del Centro Médico Langone de la Universidad de Nueva York, ha sustituido el ADN de un cromosoma por ADN sintetizado en laboratorio, pero todo el resto de la célula es completamente natural. Se ha sustituido el cromosoma 3 de una levadura llamada Saccharomyces cerevisiae, la que se usa para fabricar el pan, la cerveza y el vino. Esta levadura tiene 16 cromosomas y los otros 15 cromosomas no tardarán mucho en ser sintetizados. Incluso si se hubieran sintetizado los 16 cromosomas, hablar de crear “vida artificial” es más “propaganda científica” que otra cosa.

El artículo técnico es N. Annaluru et al. “Total Synthesis of a Functional Designer Eukaryotic Chromosome,” Science, AOP 27 Mar 2014 [DOI]. Recomiendo leer Elizabeth Pennisi, “Building the Ultimate Yeast Genome,” Science 343: 1426-1429, 28 Mar 2014, y en Ewen Callaway, “First synthetic yeast chromosome revealed. US-based project recruited dozens of undergraduates to stitch DNA fragments together,” Nature News, 27 Mar 2014.

Más información en español en Antonio Martínez Ron, “Un nuevo paso hacia la vida artificial: sintetizan el primer cromosoma eucariota de diseño,” Next, Vozpópuli, 27 Mar 2014; “Sintetizado por primera vez un cromosoma eucariota “de diseño”,” Agencia SINC, 27 Mar 2014; Javier Sampedro, “La vida artificial ya está aquí. El ensamblaje del ADN permite fabricar una levadura con una parte de su genoma sintética,” El País, 28 Mar 2014; Miguel G. Corral, “Avance histórico hacia la vida artificial: fabrican un cromosoma sintético en una célula de levadura,” El Mundo, Ciencia, 27 Mar 2014; JAL, “Biología sintética. Cromosoma a la carta…,” Madri+d, 29 Mar 2014.

Dibujo20140429 status synthetic yeast genome - science mag

¿Qué utilidad práctica tiene sintetizar en laboratorio los 16 cromosomas de la levadura de la cerveza? Esta levadura es uno de los organismos vivos preferidos por los biólogos moleculares para estudiar su ADN. Su genoma se secuenció por primera vez en 1996 y más de la mitad de sus 6000 genes son similares a los de los humanos. Además, esta levadura es un organismo con muchas aplicaciones industriales. El objetivo de la biología sintética es utilizar esta levadura como una “fábrica viva” de productos químicos. Sus futuras aplicaciones biotecnológicas son muchísimas: como la fabricación de biocombustibles, medicamentos, antibióticos, materias primas para la alimentación, e incluso desarrollar organismos para la degradación de vertidos de hidrocarburos o productos de desecho. El problema es que modificar el genoma de un organismo es muy difícil porque puede causar su muerte. Se espera que el nuevo cromosoma artificial sea como un “lego” en el que se pueden quitar o poner piezas de forma estable sin matar a las células. Añadir nuevos genes sintéticos dotará a la levadura de nuevas funciones de interés industrial.

Dibujo20140429 0 kb - 150 kb - Map of synIII with common ORF names - science mag

¿Qué diferencia hay entre sintetizar un gen artificial y sintetizar todo un cromosoma artificial? La síntesis artificial de un gen consiste en crear en laboratorio una molécula completamente sintética de doble cadena de ADN sin utilizar una secuencia de ADN preexistente como plantilla. La síntesis del primer gen completo fue lograda en 1972 por el equipo de Har Gobind Khorana (que ya era Premio Nobel de Medicina de 1968). Desde entonces se han realizado grandes avances en las técnicas de síntesis de genes y en el último lustro se ha logrado sintetizar el genoma completo de varias bacterias. Las bacterias son células procariotas, que no tienen núcleo, con un ADN pequeño y poco plegado en su interior. Sin embargo, la levadura (igual que las células humanas) son células eucariotas, que tienen un núcleo con una membrana en cuyo interior reside el ADN en forma de cromosomas. Cada cromosoma es una molécula de ADN plegada de una forma muy compacta gracias a un gran número de proteínas (tanto histonas como factores de transcripción). En la actualidad no sabemos plegar una molécula de ADN para formar un cromosoma. El nuevo trabajo ha construido el cromosoma sintético aplicando un proceso de cortar y pegar en el cromosoma natural que es utilizado como una especie de andamio. Ciertas proteínas despliegan trozos del ADN del cromosoma natural, los cortan y pegan en su lugar fragmentos de ADN sintético. Pegar estos trozos para formar el cromosoma sintético completo ha costado unos 7 años de trabajo.

Dibujo20140429 150 kb - 272 kb - Map of synIII with common ORF names - science mag

¿Qué diferencia hay entre el cromosoma artificial de la levadura y el cromosoma “natural”? El genoma de la levadura de la cerveza tiene unos 12 millones de pares de bases o letras del ADN. El cromosoma III de la levadura contiene unos 317.000 pares de bases de ADN. La versión sintética del cromosoma III es más corta, con sólo unos 274.000 pares de bases. Jef Boeke y su equipo han realizado más de 500 modificaciones en el cromosoma III de la levadura afectando a unos 50.000 bases. Se han eliminado secciones repetidas del ADN que se encuentran entre los genes y se consideran innecesarias. También se ha eliminado gran parte del llamado “ADN basura” que incluye genes que no codifican proteínas y los segmentos de genes llamados transposones que “saltan” al azar en el cromosoma e introducen mutaciones. Además, se han añadido ciertas marcas en algunos genes. Introducir estos cambios es un proceso delicado porque un cambio incorrecto puede causar la muerte de la célula.

Dibujo20140429 number of generations - non-essential segments - science mag

¿Para qué se han marcado algunos genes del cromosoma? Para las aplicaciones biotecnológicas de la levadura, muchos de sus genes son prescindibles y suponen un consumo de energía innecesario. Eliminar estos genes no esenciales permite incrementar la eficiencia de la levadura como “fábrica viva.” Se cree que unos 5000 de los 6000 genes de la levadura no son esenciales para que viva y se reproduzca. Descubrir estos genes estudiándolos uno a uno es muy costoso. Por ello, en el cromosoma sintético se han introducido unos marcadores al lado de los genes. Estos marcadores provocan que unas proteínas corten algunos de estos genes cuando la levadura se reproduce. De esta forma las células hija tienen menos genes que las células madre. Los cepas de células hijas que sobrevivan permitirán determinar qué genes son esenciales y cuáles no lo son. Conocer el genoma mínimo de esta levadura permitirá diseñar el genoma óptimo para su uso controlado en aplicaciones industriales.

Dibujo20140429 synthetic yeast genome - science mag

Has comentado en tu blog que en la síntesis del cromosoma artificial han ayudado estudiantes universitarios. El esfuerzo en sintetizar un cromosoma completo es enorme y ha requerido 7 años de trabajo. Jef Boeke creó un proyecto de colaboración con estudiantes universitarios de cursos de grado de diferentes universidades. Unos 60 estudiantes han trabajado junto a los expertos en la sintesis de los fragmentos cortos de ADN sintético (de entre 750 y 1000 pares de bases) que se han insertado en el ADN natural de la levadura. Los estudiantes han sido premiados apareciendo como coautores del artículo en Science.


6 Comentarios

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PelauPelau

O sea que básicamente están aplicando tácticas de retrovirus, pero de manera mucho más inteligente. La idea de los marcadores para ir refinando “el código” es muy astuta, si señor. Bueno, era de esperar, se supone que somos más listos que los virus. Si nadie le ha puesto un nombre al proceso, aquí va una sugerencia: Live Debugging :)

renecoreneco

¿Se puede crear ADN en base a algo sin vida o que no halla pasado por lo que se considera vivo?

MichaelMichael

tengo una duda, para sintetizar estos cromosomas artificiales se necesitan d las enzimas celulares o no, alguien me podría explicar como se realiza esta síntesis artificial???

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