Biología Sintética: Diseño de cromosoma artificial de levadura.

Recientemente, un grupo de investigadores del centro médico NYU Langone Medical Center, dirigido por Dr. Jef Boeke, hicieron posible la fabricación de un cromosoma artificial de levadura. Lo notable del trabajo radica en que es la primera vez que se rediseña y se sintetiza en forma artificial un cromosoma completo siendo totalmente funcional. Según palabras de Sinc Boeke (especialista en el área biología sintética) “este cromosoma es una versión sintética de la versión nativa".

Este trabajo representa un avance importante en el área de la Biología Sintética, ya que es la primera vez que se obtiene un logro de esta naturaleza utilizando un cromosoma de un organismo eucariota, como la levadura Saccharomyces cerevisiae. Este organismo tiene un genoma completo formado por 16 cromosomas de los cuales se ha creado en forma artificial el cromosoma III que contiene una cantidad de 300.000 nucleótidos.

¿Cómo lograron concretar este laborioso trabajo? Para llevar a cabo ese trabajo fue necesario un equipo multidisciplinario. En primer lugar utilizaron un programa de software a partir del cual fueron diseñando los cambios que le realizarían al cromosoma natural de la levadura. Trabajaron sobre las regiones repetitivas y menos utilizadas de ADN entre los genes. Posteriormente, los científicos construyeron el cromosoma artificial ligando los nucleótidos individuales en las regiones que consideraron que resultaría eficiente realizar dichos cambios. En total se realizaron 50.000 cambios en el código genético del cromosoma. El “nuevo” cromosoma III fue introducido a la levadura silvestre y poco después pasaron a reemplazar a las secuencias originales. Se realizaron estudios alternativos para evaluar el crecimiento de la levadura en diferentes condiciones y medios de cultivo. Como resultado de esas evaluaciones se observo que las características morfológicas de las colonias y fisiológicas (consumo de los nutrientes y niveles de expresión génica) fueron iguales a las levaduras silvestres, demostrando así que es posible integrar secuencias sintéticas en el genoma de un organismo eucariota sin una reducción apreciable de su aptitud biológica (fitness).

Cultivo de levadura.

Entre las modificaciones que se realizaron al cromosoma se incluyen:

• Sustituciones en los codones de stop (parada) TAG / TAA,
• La eliminación de las regiones sub-teloméricas,
• Cambios en los intrones, ARN de transferencia,
• Transposones y silenciamiento de los loci de apareamiento,
• Inserción de sitios loxPsym para alterar o borrar genes.

Seria oportuno repasar algunos de los términos mencionados hasta ahora. Con respecto al código genético es el conjunto de bases tomadas de a tres o triplete, a partir del cual la información contenida en esta secuencia de bases se traduce a un producto final, principalmente en proteínas. Las sustituciones son cambios génicos que involucran cambios o mutaciones en la secuencia de ADN. Estas mutaciones en el ADN pueden llevar a la sustitución de aminoácidos en las proteínas resultantes. Un cambio en un solo aminoácido puede no ser importante si es conservativo y si ocurre fuera del sitio activo de la proteína. De lo contrario puede tener consecuencias severas.

Los telómeros son los extremos de los cromosomas. Estas regiones corresponden a ADN no codificante, altamente repetitivas, cuya función principal es la estabilidad estructural de los cromosomas en las células eucariotas, la división celular y el tiempo de vida de los tipos celulares.

Con respecto a los intrones se definen como una secuencia de ADN no codificante que separa exones (secuencias codificantes). Si bien esas secuencias son transcritas a ARN, son eliminadas por medio de enzimas resultando en ARN maduro; también conocido como secuencia interpuesta.

Un transposón es una secuencia de ADN que lleva uno o dos genes en su secuencia y que puede moverse a diferentes partes del genoma de una célula, un fenómeno conocido como transposición. Este proceso puede causar mutaciones y cambios en la cantidad de ADN del genoma.

El silenciamiento de genes consiste en la aplicación de diferentes técnicas para impedir la expresión de un gen que debería estar “encendido” en circunstancias normales. La expresión génica se puede regular tanto a nivel transcripcional como post-transcripcional. El silenciamiento génico transcripcional es el resultado de la modificación de las proteínas histonas. Esta modificación modifica la heterocromatina alrededor de un cierto gen, que impide el acceso de la maquinaria transcripcional (factores de transcripción, ARN polimerasas, etc.). El silenciamiento génico post-transcripcional , en cambio, es un mecanismo que implica la degradación de un determinado ARN mensajero (ARNm). La destrucción de este ARNm impide su normal traducción y consecuentemente no se sintetiza el producto correspondiente.

¿Cuáles son las implicancias de este desarrollo?

A partir de este logro dentro del campo de la biología sintética, los científicos tienen como siguiente objetivo desarrollar una levadura con sus 16 cromosomas sintéticos. En tal caso, seria posible comenzar a pensar en el diseño de organismos a “medida”, mejorando sus funciones biológicas pudiendo ser aprovechables en todas las áreas de la industria, como la medicina, la tecnología, etc. Con este adelanto una vez más la tecnología nos demuestra que con objetivos claros se pueden alcanzar metas que puedan ser de beneficioso para la sociedad.

Referencias bibliográficas:

Cita: Narayana Annaluru et al. (2014). Total Synthesis of a Functional Designer Eukaryotic Chromosome Science 344 (6179): 55-58.