Un sistema libre de células está compuesto de niveles metabólicos (ciclo de Sech, rosa) y genéticos (puro, azul) interdependientes que interactúan iterativamente entre sí. Pure produce las enzimas que faltan para el CO2 estabilización mediante transcripción y traducción (tx-tl) de genes AP y ECM (es decir, AP y ECM); Cetch utiliza estas enzimas para sintetizar glicina a partir de CO2, manteniendo así la producción de proteínas. Las abreviaturas de enzimas Epi, Ecm y RNAP significan metilmalonil-/etilmalonil-CoA epimerasa, etilmalonil-CoA mutasa y ARN polimerasa, respectivamente. Crédito: MPI f. Microbiología Terrestre/ Jiaveri
La capacidad de todos los sistemas vivos para desarrollarse, organizarse y sostenerse se basa en un proceso cíclico en el que los genes y el metabolismo interactúan en paralelo. Si bien los genes codifican componentes del metabolismo, el metabolismo proporciona la energía y los componentes básicos para mantener y procesar la información genética.
En biología sintética, los investigadores exploran los principios de la vida reconstruyendo sus sistemas de abajo hacia arriba, comenzando con el número mínimo de partes necesarias. En los últimos años, este enfoque ha hecho posible desarrollar redes metabólicas complejas y sistemas genéticos libres de células fuera del entorno celular (in vitro), por ejemplo, en cámaras de microfluidos.
Lo que estos métodos tienen en común es que todos los biocatalizadores que funcionan en estos sistemas se añaden desde el exterior y todo el proceso continúa hasta que se les suministra un flujo continuo de nuevos componentes básicos, información y energía.
Al entrelazar los niveles metabólico y genético, los investigadores quieren crear sistemas biológicos sintéticos autosostenibles que produzcan sus propios componentes básicos e impulsen procesos de la misma manera que las células vivas. Un equipo dirigido por Tobias Erb del Instituto Max Planck de Microbiología Terrestre en Marburg, Alemania, ha dado un paso significativo hacia este objetivo.
El equipo ha desarrollado el primer sistema libre de células en el que una red genética y metabólica se interconectan. El propio sistema produce enzimas metabólicas y funciona en simulaciones de células artificiales y de probeta. Se basa en el ciclo sintético Cetch, una red metabólica que utiliza CO2 Como materia prima para producir moléculas orgánicas.
El trabajo está publicado en la revista. ciencia.
El truco: la interdependencia
«Emparejamos el ciclo Cetch con un sistema genético existente llamado Pure, una máquina de transcripción y traducción sintética que funciona con una mezcla de ribosomas, ADN, ARN y proteínas, fuera de las células vivas. Diseñamos las dos fases para que funcionen juntas como un motor. Una vez iniciado, continúa porque las dos redes se retroalimentan», explica Simone Giaveri, becaria de EMBO y primera autora del artículo.
Para realizar este trabajo, los investigadores dependieron de los componentes de cada uno. Programó la cepa para que produjera dos enzimas Cetch. Sin embargo, esta variante pura carece del aminoácido glicina, que es esencial para la formación de proteínas. Cetch fue modificado para producir glicina directamente a partir de CO2. A medida que Pure obtiene glicina de Cetch, el ciclo se cierra.
Para demostrar que su método funcionaba, los investigadores primero agregaron glicina a la proteína, que contenía información sobre la producción de la proteína fluorescente. Su brillo indica la exigente actividad de la red genética. El siguiente paso fue introducir el ciclo Cetch sintético. Después de introducir la vía sintética, el sistema combinado pudo producir la propia glicina y, a su vez, las dos proteínas de Cech y la proteína fluorescente.
De las más de 50 proteínas del sistema, el sistema produce sólo dos. Pero eso es todo lo que se necesita para andar en una bicicleta sintética.
«Sin el componente genético ni la retroalimentación, el ciclo sólo dura menos de una hora. La autorregeneración significa que dura al menos doce horas antes de que el sistema se detenga por diversas razones, por ejemplo, porque fallan los componentes o se acumulan demasiados subproductos». explica Giaveri. «Hay que empezar con una cantidad mínima de glicina y así continuará».
La mayoría de los componentes del metabolismo sintético todavía provienen del exterior.
«Aún estamos muy lejos de un sistema que regenere todos sus componentes», afirma Erb. Esto incluye codificar redes metabólicas completas, codificar programas de autorreparación para extender la vida útil de los sistemas in vitro, así como la integración de ciclos de reciclaje bioquímico.
“Hasta ahora solo hemos logrado producir un componente básico y todavía estamos muy lejos de producir todos los componentes básicos a partir de CO.2. Sin embargo, hemos desarrollado un sistema operativo básico que se beneficiará de futuros desarrollos en este campo de investigación en rápido movimiento. Mirando hacia el futuro, se puede imaginar que en el futuro podremos hacer funcionar un sistema de este tipo con electricidad ligera o sostenible.
Un sistema operativo básico para los sistemas sostenibles del futuro
La orquestación de más de 50 proteínas, fuentes de energía, información genética y componentes básicos es el resultado de una enorme cantidad de experimentos en los que Giaveri ha probado y optimizado combinaciones en paralelo. Cada elemento del complejo sistema de Giaveri está diseñado con precisión para su propósito.
«Nuestro sistema se puede utilizar como unidad operativa, como motor básico para sistemas in vitro», afirma Erb. “Y está basado en CO2Esto es posible de forma totalmente sostenible, ya que esta materia prima está disponible en cantidades prácticamente ilimitadas».
Más información:
Simone Giaveri et al., Una red bioquímica parcialmente autosintética en traducción y metabolismo integrados, ciencia (2024) DOI: 10.1126/ciencia.adn3856
Proporcionado por la Sociedad Max Planck
referencia: El equipo desarrolla el primer sistema libre de células donde la información genética y el metabolismo trabajan juntos (11 de julio de 2024) Consultado el 12 de julio de 2024 en https://phys.org/news/2024-07-team-cell-free-genetic-metabolism. HTML
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