Los científicos de San Diego han logrado un importante objetivo en el esfuerzo por crear organismos artificiales: Un microbio cuyo material genético incluía algunas instrucciones elaboradas en laboratorio fue capaz de vivir, reproducirse y sintetizar proteínas que incluían moléculas nunca antes utilizadas por la vida.
Nature
El desarrollo, descrito el miércoles en un artículo de la revista Nature, es un paso hacia un mundo en el que los científicos pueden diseñar organismos capaces de producir proteínas altamente especializadas que podrían utilizarse para mejorar los medicamentos, construir nuevos materiales y quizás incluso cambiar las funciones de las células.
«Se trata de un asunto de vanguardia; esto es el límite de la ciencia», dijo Andrew Ellington, bioquímico de la Universidad de Texas en Austin que no participó en la investigación. «Estamos aprendiendo mejor cómo diseñar sistemas vivos».
Durante 4.000 millones de años, la historia de la vida en la Tierra se ha escrito utilizando un alfabeto molecular limitado. Los peldaños de la retorcida escalera del ADN se construyen a partir de sólo cuatro unidades de base: la adenina, que se une a la timina, y la citosina, que se empareja con la guanina. Estas cuatro «letras» -A, T, C y G- definen la forma y la función de todos los organismos de la Tierra, desde una bacteria hasta un elefante, desde la fotosíntesis hasta el camuflaje.
Cuando esas instrucciones genéticas son transcritas y traducidas por la maquinaria celular, permiten la producción de proteínas, los caballos de batalla de la vida, que catalizan reacciones, transmiten señales y forman tejidos como los cartílagos y las conchas. Los bloques de construcción de las proteínas, llamados aminoácidos, son sólo un poco más variados que los del ADN; sólo 20 aminoácidos se utilizan para sintetizar las proteínas necesarias para todas las funciones de la vida.
En 2014, los científicos de San Diego, dirigidos por el químico Floyd Romesberg, del Instituto de Investigación Scripps, reescribieron el material genético de una cepa de E. coli para incluir un nuevo par de bases, apodado dNaM y dTPT3 pero conocido informalmente como X e Y. Aunque la población de microbios resultante no era estable (normalmente perdían sus bases X e Y al cabo de unos días) se trataba de los primeros organismos en la historia de la vida que incluían un nuevo par de bases en su ADN.
ADN
Se trataba de un tipo de ingeniería genética totalmente nuevo. Otros editores de genes retocan el ADN de los organismos utilizando materiales ya existentes, como si Shakespeare inventara nuevos modismos. Pero Romesberg y sus colegas estaban escribiendo instrucciones genéticas con moléculas que la vida nunca había visto antes: el equivalente biológico de Tolkien inventando el elfo.
En su último experimento, el equipo de Romesberg utilizó ese alfabeto genético ampliado para ordenar a las células que sintetizaran proteínas a partir de aminoácidos «no canónicos», es decir, cientos de moléculas que pueden encontrarse en la naturaleza o en el laboratorio pero que no son utilizadas de forma natural por los organismos. Las células semisintéticas fueron capaces de producir proteínas artificiales casi con la misma eficacia que sus progenitoras no modificadas.
«Este último paso de añadir un par de bases no naturales para añadir un aminoácido no natural en una proteína es una especie de santo grial de lo que hemos estado tratando de hacer todo el tiempo», dijo Yorke Zhang, un estudiante graduado en el laboratorio de Romesberg que diseñó, realizó y analizó el experimento.
Durante décadas, los científicos han tratado de añadir aminoácidos no canónicos a las proteínas con la esperanza de hacer que estos caballos de batalla biológicos sean aún más potentes. Pero tenían un problema. La traducción del material genético en un producto proteico, que se lleva a cabo mediante moléculas de ARN, depende de secuencias de tres letras llamadas «codones». Cada codón corresponde a un aminoácido concreto, de modo que cuando la maquinaria de la célula lee esa secuencia, sabe exactamente qué trozo de proteína debe tomar. Sin embargo, con el alfabeto genético existente, las 64 combinaciones posibles de codones ya están asociadas a una tarea específica. Si los investigadores querían que la célula realizara una nueva función, no tenían una forma única de transmitir la demanda.
Algunos científicos han intentado sortear este obstáculo reprogramando uno de los codones de «parada» de la célula -que llevan instrucciones para detener el proceso de producción de proteínas- para que se asocie a un nuevo aminoácido.
Romesberg
Pero Romesberg y sus colegas tenían mayores ambiciones. Añadiendo sólo dos nuevas unidades de base a las instrucciones genéticas de una célula, generarían docenas de nuevas posibilidades de codones, «más de las que podríamos utilizar» para cualquier propósito práctico, dijo Romesberg.
Tras probar cientos de pares de bases posibles, llegaron a dNaM y dTPT3. Estas unidades no sólo eran totalmente ajenas a la vida en la Tierra, sino que estaban unidas químicamente por un enlace completamente diferente al que conecta la A con la T y la G con la C.
En una entrevista realizada esta semana, el astrobiólogo Steve Benner, que dirigió el primer equipo que desarrolló un par de bases artificial hace casi 30 años, expresó sus dudas de que el ADN pudiera ser totalmente funcional con este inusual enlace de pares de bases. Sugirió que los pares de bases naturales de la E. coli de Romesberg podrían estar «flanqueando» a los fabricados en el laboratorio, sosteniendo la doble hélice a pesar de las inserciones antinaturales e incómodas. El ADN estaba efectivamente dañado, dijo, y el hecho de que las células no murieran es sólo un testimonio de la resistencia de la vida.
