por Shelly Fan
¿Podemos reprogramar la vida existente a voluntad?
Para los biólogos sintéticos, la respuesta es sí. El código central de la biología es simple. Las letras de ADN, en grupos de tres, se traducen en aminoácidos: bloques de Lego que producen proteínas. Las proteínas forman nuestro cuerpo, regulan nuestro metabolismo y nos permiten funcionar como seres vivos. El diseño de proteínas personalizadas a menudo significa que puede rediseñar pequeños aspectos de la vida, por ejemplo, hacer que una bacteria bombee medicamentos que salvan vidas como la insulina.
Toda la vida en la Tierra sigue esta regla: una combinación de 64 códigos de tripletes de ADN, o “codones”, se traducen en 20 aminoácidos.
Pero espera. Las matemáticas no cuadran. ¿Por qué 64 codones dedicados no producirían 64 aminoácidos? La razón es la redundancia. La vida evolucionó de modo que múltiples codones a menudo producen el mismo aminoácido.
Entonces, ¿qué pasa si aprovechamos esos codones “adicionales” redundantes de todos los seres vivos y en su lugar insertamos nuestro propio código?
Recientemente, un equipo de la Universidad de Cambridge hizo precisamente eso. En un tour de force tecnológico , utilizaron CRISPR para reemplazar más de 18.000 codones con aminoácidos sintéticos que no existen en ningún lugar del mundo natural. El resultado es una bacteria que es virtualmente resistente a todas las infecciones virales, porque carece de las “manijas” de proteínas normales que los virus necesitan para infectar la célula.
Pero ese es solo el comienzo de los superpoderes de la vida de ingeniería. Hasta ahora, los científicos solo han podido introducir un aminoácido de diseño en un organismo vivo. El nuevo trabajo abre la puerta a la piratería de múltiples codones existentes a la vez, corrigiendo al menos tres aminoácidos sintéticos al mismo tiempo. Y cuando es 3 de 20, eso es suficiente para reescribir fundamentalmente la vida tal como existe en la Tierra.
Durante mucho tiempo pensamos que “liberar un subconjunto de … codones para la reasignación podría mejorar la robustez y versatilidad de la tecnología de expansión del código genético”, escribieron los Dres. Delilah Jewel y Abhishek Chatterjee del Boston College, que no participaron en el estudio. “Este trabajo transforma elegantemente ese sueño en una realidad”.
Hackear el código de ADN
Nuestro código genético es la base de la vida, la herencia y la evolución. Pero solo funciona con la ayuda de proteínas.
El programa para traducir genes, escritos con las cuatro letras del ADN, en los bloques de construcción reales de la vida se basa en una fábrica de descifrado celular completo.
Piense en las letras del ADN (A, T, C y G) como un código secreto, escrito en un largo trozo de papel arrugado envuelto en un carrete. Los grupos de tres “letras”, o codones, son el quid: codifican qué aminoácido produce una célula. Una molécula mensajera (ARNm), una especie de espía, copia sigilosamente el mensaje de ADN y regresa al mundo celular, enviando el mensaje a la fábrica de proteínas de la célula, una especie de organización de inteligencia central.
Allí, la fábrica recluta a múltiples “traductores” para descifrar el código genético en aminoácidos, apropiadamente llamados tRNA. Las letras se agrupan de tres en tres, y cada ARNt traductor arrastra físicamente su aminoácido asociado a la fábrica de proteínas, una por una, de modo que la fábrica eventualmente crea una cadena que se envuelve en una proteína 3D.
Pero como cualquier código robusto, la naturaleza ha programado la redundancia en su proceso de traducción de ADN a proteína. Por ejemplo, el ADN codifica TCG, TCA, AGC y AGT, todos codifican para un solo aminoácido, la serina. Si bien funciona en biología, los autores se preguntaron: ¿qué pasa si aprovechamos ese código, lo secuestramos y redirigimos algunas de las direcciones de la vida utilizando aminoácidos sintéticos?
Secuestrando el Código Natural
El nuevo estudio ve la redundancia de la naturaleza como una forma de introducir nuevas capacidades en las células.
Para nosotros, una pregunta era “¿podría reducir la cantidad de codones que se utilizan para codificar un aminoácido en particular y, por lo tanto, crear codones que sean libres para crear otros monómeros [aminoácidos]?” preguntó el autor principal, el Dr. Jason Chin.
Por ejemplo, si TCG es para serina, ¿por qué no liberar a los demás (TCA, AGC y AGT) para otra cosa?
Es una gran idea en teoría, pero una tarea realmente abrumadora en la práctica. Significa que el equipo tiene que entrar en una célula y reemplazar cada codón que quieren reprogramar. Hace unos años, el mismo grupo demostró que es posible en E. Coli , el error favorito del laboratorio y de la industria farmacéutica. En ese momento, el equipo dio un salto astronómico en biología sintética al sintetizar todo el genoma de E. Coli desde cero. Durante el proceso, también jugaron con el genoma natural, simplificándolo reemplazando algunos codones de aminoácidos con sus sinónimos, por ejemplo, eliminando TCG y reemplazándolos con AGC. Incluso con las modificaciones, las bacterias pudieron prosperar y reproducirse fácilmente.
Es como tomar un libro muy largo y averiguar qué palabras reemplazar con sinónimos sin cambiar el significado de las oraciones, para que las ediciones no dañen físicamente la supervivencia de la bacteria. Un truco, por ejemplo, consistía en eliminar una proteína denominada “factor de liberación 1”, lo que facilita la reprogramación del codón UAG con un nuevo aminoácido. El trabajo anterior mostró que esto puede asignar nuevos bloques de construcción a los codones naturales que están realmente “en blanco”, es decir, no codifican nada de forma natural de todos modos.
Una criatura sintética
El equipo de Chin llevó esto mucho más lejos.
El equipo ideó un método llamado REXER (escisión de replicones para mejorar la ingeniería del genoma a través de la recombinación programada) —sí, a los científicos les encantan los contracrónimos— que incluye la herramienta de edición de genes del niño prodigio, CRISPR-Cas9. Con CRISPR, recortaron con precisión grandes partes del genoma bacteriano de E. coli, hechas completamente desde cero dentro de un tubo de ensayo, y luego reemplazaron más de 18,000 apariciones de codones ‘extra’ que codifican para serina con codones sinónimo.
Debido a que el truco solo tenía como objetivo el código de proteína redundante, las células pudieron realizar su trabajo normal, incluida la producción de serina, pero ahora con múltiples codones naturales libres. Es como reemplazar “hola” por “oy”, haciendo que “hola” ahora sea libre para que se le asigne un significado completamente diferente.
A continuación, el equipo hizo una limpieza de la casa. Quitaron los traductores naturales de las células, los ARNt, que normalmente leen los codones ahora desaparecidos sin dañar las células. Introdujeron nuevas versiones sintéticas de tRNA para leer los nuevos codones. Las bacterias diseñadas se desarrollaron naturalmente dentro de un tubo de ensayo para crecer más rápidamente.
Los resultados fueron espectaculares. La cepa superpoderosa, Syn61.Δ3 (ev5), es básicamente un X-Men bacteriano que crece rápidamente y es resistente a un cóctel de diferentes virus que normalmente infectan a las bacterias.
“Debido a que toda la biología usa el mismo código genético, los mismos 64 codones y los mismos 20 aminoácidos, eso significa que los virus también usan el mismo código… usan la maquinaria de la célula para construir las proteínas virales para reproducir el virus”, explicó Chin. Ahora que la célula bacteriana ya no puede leer el código genético estándar de la naturaleza, el virus ya no puede acceder a la maquinaria bacteriana para reproducirse, lo que significa que las células diseñadas ahora son resistentes a ser secuestradas por casi cualquier invasor viral.
“Estas bacterias pueden convertirse en fábricas renovables y programables que producen una amplia gama de nuevas moléculas con propiedades novedosas, que podrían tener beneficios para la biotecnología y la medicina, incluida la fabricación de nuevos medicamentos, como nuevos antibióticos”, dijo Chin.
Dejando a un lado la infección viral, el estudio reescribe lo que es posible para la biología sintética.
“Esto permitirá innumerables aplicaciones”, dijeron Jewel y Chatterjee, como biopolímeros completamente artificiales, es decir, materiales compatibles con la biología que podrían cambiar disciplinas enteras como la medicina o las interfaces cerebro-máquina . Aquí, el equipo pudo encadenar una cadena de bloques de construcción de aminoácidos artificiales para producir un tipo de molécula que forma la base de algunos medicamentos, como los del cáncer o los antibióticos.
Pero quizás la perspectiva más emocionante es la capacidad de reescribir dramáticamente la vida existente. Al igual que las bacterias, nosotros, y toda la vida en la biosfera, operamos con el mismo código biológico. El estudio ahora muestra que es posible superar el obstáculo de solo 20 aminoácidos que forman los componentes básicos de la vida al aprovechar nuestros procesos biológicos naturales.
A continuación, el equipo busca reprogramar aún más nuestro código biológico natural para codificar aún más bloques de construcción de proteínas sintéticas en células bacterianas. También se moverán hacia otras células, mamíferos, por ejemplo, para ver si es posible comprimir nuestro código genético.