La vida sintética es lo más llamativo de la biología sintética (aunque no lo más útil desde un punto de vista biomédico y biotecnológico). En 2016 el J. Craig Venter Institute (JCVI) anunció un microorganismo sintético con genoma mínimo, Mycoplasma mycoides JCVI-syn3.0, con solo 473 genes codificantes de proteínas (LCMF, 25 Mar 2016). Se había obtenido eliminando genes, uno a uno, del microorganismo sintético JCVI-syn1.0, con 901 genes, sintetizado en 2010. Para facilitar el cultivo in vitro se le añaden 20 genes para obtener la variante JCVI-syn3B. Se publica en Nature un estudio comparado del ritmo de evolución entre el microorganismo mínimo JCVI-syn3B (493 genes) y el no mínimo original JCVI-syn1.0 (901 genes). Durante los 2000 ciclos de vida estudiados, la aptitud (fitness) relativa del mínimo evolucionó un 39 % más rápido que la del no mínimo; aunque el número de mutaciones por nucleótido y por generación fue muy similar, 3.25 ± 0.16 × 10⁻⁸ para el mínimo y 3.13 ± 0.12 × 10⁻⁸ para el no mínimo (estas tasas de mutación son las más altas registradas hasta ahora en un organismo celular, siendo características de los genomas mínimos). Lo más curioso es que el volumen de las células de JCVI-syn3B se mantuvo constante, mientras que el de JCVI-syn3.0 creció en un 80 %. Entender la evolución de organismos con genoma mínimo ayudará a comprender la evolución temprana de los seres vivos, pero además promete aplicaciones biotecnológicas (en el uso de bacterias mínimas como biofábricas de sustancias).

Se llama genoma mínimo al número de genes necesario para que un microorganismo autónomo pueda ser cultivado con éxito en placas de Petri en un laboratorio. Hay bacterias endosimbiontes con menos de 200 genes codificantes de proteínas, pero se estima que unos 500 genes son esenciales en una bacteria autónoma. En un organismo mínimo cualquier mutación puede ser letal, pues afecta a un gen esencial; por ello, se espera que los genes esenciales evolucionen mucho más lento que el resto de genes prescindibles y, además, que su capacidad de adaptación a cambios del entorno sea más limitada. En ambientes ricos en recursos, se sabe que la evolución favorece un incremento del volumen de las bacterias (un rasgo multigénico complejo), que se correlaciona con su aptitud. La reducción  del genoma de syn1.0 a syn3B conllevó una reducción del diámetro celular en un 31 %, de 439 ± 0,01 nm a 305 ± 0,01; tras 2000 generaciones de evolución, el tamaño de la bacteria no mínima aumentó en un 85 %, hasta 811 ± 0,02 nm, sin embargo, la mínima casi no cambió (0,08 ± 0,05 nm).

En mi opinión, lo más sorprendente de este estudio evolutivo es que, a pesar de usar genomas mínimos, todavía ignoramos los genes y las mutaciones concretas sobre dichos genes que son responsables de los cambios observados en el fenotipo. La multigenicidad de los rasgos determinantes del metabolismo observado nos recuerda que aún hay muchísimas cosas que ignoramos de la biología de los organismos con genoma mínimo. Sin lugar a dudas, su estudio será muy fructífero en los próximos años. El artículo es R. Z. Moger-Reischer, J. I. Glass, …, J. T. Lennon, «Evolution of a minimal cell,» Nature (05 Jul 2023), doi: https://doi.org/10.1038/s41586-023-06288-x.

En los micoplasmas mínimo JCVI-syn3B y no mínimo JCVI-syn1.0 se han observado los tres tipos de mutaciones: inserciones, deleciones y mutaciones de un solo nucleótido (SNM). Las más numerosas son estas últimas (SNM) en las que destaca un sesgo significativo de las mutaciones de nucleótidos C:G en T:A y A:T, respecto a mutaciones A:T en C:G y G:C, y a mutaciones neutras A:T en T:A y C:G en G:C (recuerda que los nucleótidos del ADN son adenina (A), citosina (C), guanina (G) y timina (T), y que A y G son purinas y C y T son pirimidinas). El artículo en Nature no ofrece ninguna explicación de este hecho.

Se ha observado la evolución durante 2000 generaciones. Estimar la aptitud (fitness) de todos y cada uno de los genes de un organismo, aunque sea su genoma sea mínimo, está más allá de lo que permiten las tecnologías actuales. Por ello, los autores se han centrado en un par de propiedades fenotípicas que se pueden estudiar de forma fácil: el tamaño y el transporte de metabolitos en la membrana. Se han identificado 16 genes en el genoma no mínimo y 14 en el genoma mínimo cuya selección positiva parece influir en el tamaño. Pero solo se ha estudiado en detalle el posible rol del gen esencial ftsZ (filamenting temperature-sensitive mutant Z) cuya proteína FtsZ determina el sitio de constricción de la membrana durante la división celular. Para ello se ha usado la edición CRISPR. El resultado apunta a que dicho gen es el mayor responsable del incremento de tamaño. De hecho, el gen ftsZ ha mutado de forma constante durante las 2000 generaciones de evolución en ambas bacterias; en particular, a responsable de un aumento del 25 % en el diámetro de la bacteria no mínima es la mutación sin sentido ftsZ E315∗, que cambia el aminoácido en la posición 315, ácido glutámico (E) por un codón de parada (∗), recortando la longitud de la proteína traducida; para sorpresa de los autores, esta mutación produce una disminución del 19 % en el diámetro de la bacteria mínima. Como resultado, esta mutación parece ser responsable de casi el 60 % de la divergencia evolutiva en el tamaño celular.

En cuanto a las mutaciones en genes esenciales relacionados con el transporte de membrana, que son fundamentales para la adaptación al medio (el metabolismo depende del transporte hacia adentro y hacia afuera de la célula de metabolitos). El número de mutaciones en genes asociados a proteínas de transporte de membrana es similar en ambos tipos de células. Sin embargo, se detecta un ligero aumento de las mutaciones de genes asociados al metabolismo de lípidos en la bacteria mínima. En particular, en los genes fakA (fatty acid kinase subunit A) y clsA (cardiolipin synthese), esenciales para sintetizar cardiolipina y otros lípidos a partir de ácidos grasos libres; estas sustancias son necesarias para la construcción de membranas celulares y para la regulación de la división celular. También en el gen lgt (diacyglyceryl transferase) que codifica la proteína que transfiere restos de diacilglicerilo para anclar las lipoproteínas de superficie en la bicapa lipídica. Por tanto, parece que se han seleccionado con preferencia mutaciones en la bacteria mínima que mejoran la síntesis y distribución de lípidos (proceso clave para el crecimiento celular en el medio de cultivo).

En resumen, no te quiero aburrir con más detalles, aunque el artículo presenta muchos menos de los que me gustaría; de hecho, lo que destaca de este trabajo evolutivo es lo mucho que ignoramos. Se puede afirmar sin rubor que lo ignoramos casi todo. No he comentado la metodología, pues es la estándar en estos estudios de evolución bacteriana in vitro. Por supuesto, el experimento continuará durante muchas más generaciones, así que habrá estar al tanto de los nuevos resultados. Entender el metabolismo de las bacterias con genoma mínimo es fundamental para su uso generalizado en biotecnología como fábricas de ciertas sustancias de interés farmacológico y químico; para ello hay que añadir a su genoma los genes necesarios para la síntesis eficiente de dichas sustancias; pero ha de hacerse con garantías de que no interfieran en su metabolismo basal (el que les permite subsistir en el caldo de cultivo de un reactor bioquímico). Por desgracia, aún estamos muy lejos de poder lograrlo con garantías de éxito. Tiempo el tiempo.