La biología sintética ya está reescribiendo la vida.
A finales de 2023, los científicos células de levadura reveladas con la mitad de su modelo genético reemplazado por ADN artificial. Fue un momento decisivo en un Proyecto de 18 años diseñar versiones alternativas de cada cromosoma de levadura. A pesar de tener siete cromosomas sintéticos y medio, las células se reprodujeron y prosperaron.
Un nuevo estudio nos lleva a la escalera evolutiva hacia las plantas de diseño.
Para un proyecto llamado SynMoss, un equipo en China rediseñó parte de un único cromosoma en un tipo de musgo. La planta parcialmente sintética resultante creció normalmente y produjo esporas, lo que la convirtió en uno de los primeros seres vivos con múltiples células en portar un cromosoma parcialmente artificial.
Los cambios personalizados en los cromosomas de la planta son relativamente pequeños en comparación con la levadura sintética. Pero es un paso hacia el rediseño completo de los genomas en organismos de nivel superior.
En una entrevista con Ciencia:, el biólogo sintético Dr. Tom Ellis del Imperial College de Londres dijo que es una "llamada de atención para las personas que piensan que los genomas sintéticos son sólo para microbios".
Mejorando la vida
Los esfuerzos por reescribir la vida no tienen como único objetivo satisfacer la curiosidad científica.
Jugar con el ADN puede ayudarnos a descifrar la historia evolutiva y señalar tramos críticos de ADN que mantienen estables los cromosomas o causan enfermedades. Los experimentos también podrían ayudarnos a comprender mejor la "materia oscura" del ADN. Esparcidas por todo el genoma, secuencias misteriosas que no codifican proteínas han desconcertado a los científicos durante mucho tiempo: ¿son útiles o simplemente restos de la evolución?
Los organismos sintéticos también facilitan la ingeniería de seres vivos. Las bacterias y las levaduras, por ejemplo, ya se utilizan para elaborar cerveza y producir medicamentos que salvan vidas, como la insulina. Al agregar, cambiar o eliminar partes del genoma, es posible dotar a estas células de nuevas capacidades.
En un estudio recientePor ejemplo, los investigadores reprogramaron bacterias para sintetizar proteínas utilizando componentes básicos de aminoácidos que no se ven en la naturaleza. En otro En un estudio, un equipo convirtió bacterias en Terminadores masticadores de plástico que reciclan los desechos plásticos en materiales útiles.
Si bien son impresionantes, las bacterias están formadas por células diferentes a las nuestras: su material genético flota, lo que las hace potencialmente más fáciles de reconectar.
El Proyecto de levadura sintética fue un gran avance. A diferencia de las bacterias, la levadura es una célula eucariota. Las plantas, los animales y los humanos entran en esta categoría. Nuestro ADN está protegido dentro de una burbuja parecida a una nuez llamada núcleo, lo que hace que sea más difícil de modificar para los biólogos sintéticos.
Y en lo que respecta a los eucariotas, las plantas son más difíciles de manipular que la levadura (un organismo unicelular) ya que contienen múltiples tipos de células que coordinan el crecimiento y la reproducción. Los cambios cromosómicos pueden ocurrir de manera diferente dependiendo de cómo funciona cada célula y, a su vez, afectan la salud de la planta.
"La síntesis del genoma en organismos multicelulares sigue siendo un territorio inexplorado", escribió el equipo en su artículo.
Lento pero seguro
En lugar de construir un genoma completamente nuevo desde cero, el equipo modificó el genoma del musgo existente.
Esta pelusa verde ha sido ampliamente estudiada en el laboratorio. Un análisis temprano del genoma del musgo se descubrió que tiene 35,000 genes potenciales, sorprendentemente complejos para una planta. Sus 26 cromosomas han sido completamente secuenciados.
Por esta razón, la planta es un "modelo ampliamente utilizado en estudios de biología celular y de desarrollo evolutivo", escribió el equipo.
Los genes del musgo se adaptan fácilmente a los cambios ambientales, especialmente aquellos que reparan el daño del ADN causado por la luz solar. En comparación con otras plantas, como el berro, otro modelo que favorecen los biólogos, el musgo tiene la capacidad incorporada de tolerar grandes cambios en el ADN y regenerarse más rápido. Ambos aspectos son “esenciales” a la hora de reescribir el genoma, explicó el equipo.
¿Otra ventaja? El musgo puede convertirse en una planta completa a partir de una sola célula. Esta capacidad es un escenario de ensueño para los biólogos sintéticos porque la alteración de genes o cromosomas en una sola célula puede potencialmente cambiar un organismo completo.
Al igual que los nuestros, los cromosomas vegetales parecen una "X" con dos brazos cruzados. Para este estudio, el equipo decidió reescribir el brazo cromosómico más corto de la planta: el cromosoma 18. Todavía era un proyecto gigantesco. Anteriormente, el reemplazo más grande era sólo de unas 5,000 letras de ADN; el nuevo estudio necesitaba reemplazar más de 68,000 cartas.
Reemplazar secuencias de ADN naturales con “los grandes fragmentos sintéticos rediseñados presentó un desafío técnico formidable”, escribió el equipo.
Adoptaron una estrategia de divide y vencerás. Primero diseñaron fragmentos medianos de ADN sintético antes de combinarlos en un único "megafragmento" de ADN del brazo cromosómico.
El cromosoma recién diseñado tuvo varios cambios notables. Fue despojado de transposones o "genes saltarines". Estos bloques de ADN se mueven por el genoma y los científicos todavía están debatiendo si son esenciales para las funciones biológicas normales o si contribuyen a la enfermedad. El equipo también añadió "etiquetas" de ADN al cromosoma para marcarlo como sintético e hizo cambios en la forma en que regula la fabricación de ciertas proteínas.
En general, los cambios redujeron el tamaño del cromosoma en casi un 56 por ciento. Después de insertar el cromosoma de diseño en células de musgo, el equipo las cultivó hasta convertirlas en plantas adultas.
Una flor medio sintética
Incluso con un genoma muy editado, el musgo sintético era sorprendentemente normal. Las plantas rápidamente se convirtieron en arbustos frondosos con múltiples ramas y eventualmente produjeron esporas. Todas las estructuras reproductivas eran similares a las que se encuentran en la naturaleza, lo que sugiere que las plantas semisintéticas tenían un ciclo de vida normal y potencialmente podían reproducirse.
Las plantas también mantuvieron su resiliencia frente a ambientes altamente salados, una adaptación útil que también se observa en sus contrapartes naturales.
Pero el musgo sintético tenía algunas peculiaridades epigenéticas inesperadas. La epigenética es la ciencia de cómo las células activan o desactivan los genes. La parte sintética del cromosoma tenía un perfil epigenético diferente al del musgo natural, con más genes activados de lo habitual. Según el equipo, esto podría ser potencialmente perjudicial.
El musgo también ofreció información potencial sobre la "materia oscura" del ADN, incluidos los transposones. La eliminación de estos genes saltarines no pareció dañar las plantas parcialmente sintéticas, lo que sugiere que podrían no ser esenciales para su salud.
De manera más práctica, los resultados podrían impulsar los esfuerzos biotecnológicos utilizar musgo para producir una amplia gama de proteínas terapéuticas, incluidas aquellas que combaten enfermedades cardíacas, curan heridas o tratan accidentes cerebrovasculares. Moss ya se utiliza para sintetizar medicamentos. Un genoma parcialmente diseñado podría alterar su metabolismo, aumentar su resistencia contra las infecciones y aumentar el rendimiento.
El siguiente paso es reemplazar la totalidad del brazo corto del cromosoma 18 con secuencias sintéticas. Su objetivo es generar un genoma sintético completo de musgo en 10 años.
Es un objetivo ambicioso. En comparación con el genoma de la levadura, que requirió 18 años y una colaboración global para reescribir la mitad, el genoma del musgo es 40 veces más grande. Pero con tecnologías de síntesis y lectura de ADN cada vez más eficientes y baratas, el objetivo no está fuera de alcance.
Técnicas similares también podrían inspirar otros proyectos para rediseñar cromosomas en organismos más allá de las bacterias y las levaduras, desde plantas hasta animales.
Crédito de la imagen: Pírex / Wikimedia Commons
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- Fuente: https://singularityhub.com/2024/02/08/partially-synthetic-moss-paves-the-way-for-plants-with-designer-genomes/
