Garantías personalizadas para una nueva vida
Es posible que se haya inventado una nueva clase de especies, todo por seguridad. Se modificaron los genes de las colonias de E. coli, una bacteria intestinal más conocida por los brotes de intoxicación alimentaria, para incitarlas a producir moléculas útiles, como combustible o medicamentos.
Pero los microbios modificados podrían ser problemáticos si las bacterias microscópicas escapan del laboratorio, especialmente si los investigadores logran su objetivo de darles resistencia a la infección viral a través de la manipulación genética. Esta resistencia es útil para mantener vivas las colonias para la investigación, pero podría transformar una nueva forma de vida de un microbio que solo puede sobrevivir en un laboratorio o entorno industrial a una bacteria que puede superar a sus contrapartes salvajes. Así que ahora los investigadores de Yale y Harvard han demostrado cómo crear controles de seguridad: Hicieron que los microbios dependieran de aminoácidos artificiales para producir las proteínas necesarias para la vida. A menos que sean alimentados deliberadamente con estos aminoácidos, cualquier bacteria que escape morirá. «Esto agrega otra barrera de seguridad importante», dijo Farren Isaacs, biólogo de la Universidad de Yale y autor principal de uno de los dos artículos que describen el enfoque publicado en línea el 21 de enero en la revista Nature. (Noticias-Hoy es parte de Nature Publishing Group).
Un equipo de la Universidad de Yale y la Escuela de Medicina de Harvard estudió los llamados organismos genéticamente recodificados, un tipo de bacteria Escherichia coli cuyo código genético ha sido alterado varias veces, llevando la modificación genética a un nuevo nivel. De hecho, estas Escherichia coli recodificadas (RE. coli) tenían uno de los 64 codones en su genoma (frases diminutas de ADN o ARN que corresponden a aminoácidos específicos o reconocen cuándo la maquinaria celular deja de construir proteínas) en cualquier lugar fueron intercambiados. Este fragmento de código genético estuvo presente en los 4,6 millones de pares de bases de ADN de su genoma, con más de 300 modificaciones en total. En consecuencia, esta RE. Sin aminoácidos sintéticos de tamaño y forma inusuales que no se encuentran en la naturaleza, E. coli no puede construir por sí sola al menos una proteína necesaria para su supervivencia. En esencia, los investigadores han establecido la primera forma de vida que se basa en el aminoácido 21, en lugar de los 20 aminoácidos naturales que toda la vida conocida en la Tierra usa para construir proteínas que sustentan la vida.
Hay muchos de estos aminoácidos sintéticos para elegir: los investigadores de la Universidad de Harvard establecieron una confianza en un aminoácido sintético llamado bipA (abreviatura de bifenilalanina); el equipo de Yale eligió el aminoácido sintético pAzF (4-p-azido-L-fenilalanina) . Hay varios genes en cada versión de RE. La bacteria E. coli que controla la fabricación de proteínas esenciales se modificó para que ensamblar la proteína requiriera la síntesis de un aminoácido, en lugar de uno de los 20 aminoácidos comunes. «Si no pueden producirlo [the synthetic amino acid] «No pueden deshacerse de él y luego mueren, a menos que aquellos que mutan lo suficiente ya no lo necesiten», explica George Church, genetista de la Escuela de Medicina de Harvard y autor principal de otro artículo.
En el futuro, los genes de las 290 proteínas producidas por E. coli podrían modificarse para que se necesiten aminoácidos artificiales para generar las proteínas codificadas, aunque Church dice que se debería producir solo tres o cuatro de estas proteínas que dependen de aminoácidos sintéticos. suficiente para garantizar la aleatoriedad La probabilidad de mutación es de menos de uno en 100 mil millones, lo que permite que alguna versión del microbio modificado sobreviva fuera del laboratorio. Por supuesto, estas posibilidades no significan que escapar sea imposible, pero «imposible en el mundo real significa que la probabilidad es en realidad más baja que la de cualquier tamaño de población que vayas a hacer crecer», señaló Church. Otras vías de escape pueden ser RE. Las células de E. coli eliminaron los aminoácidos filtrados de otras células muertas o intercambiaron suficientes genes con otros microbios para encontrar una manera de sobrevivir. Las regulaciones actuales de biotecnología en los Institutos Nacionales de Salud requieren no más de un mutante por cada 100 millones de células.
Un nuevo control de seguridad integrado (el aminoácido no se puede encontrar fuera del laboratorio) también podría beneficiar a la industria: la resistencia de las bacterias a las infecciones virales. Las primeras versiones de la E. coli recodificada tenían menos cambios de codones, pero estos ajustes conferían inmunidad a los virus comunes. Es esta capacidad de resistir a los virus lo que puede llevar a la industria a adoptar también este nuevo código de seguridad genética. «Una vez que combinas los dos, se vuelve muy atractivo», dijo Church, porque todos los microbios están contenidos de manera segura y hay menos riesgo de ser eliminados por una infección.
««La gente está muy preocupada» por la seguridad de la ingeniería genética, dice Yizhi Tsai «Patrick» Yizhi, director de Genome Foundry en la Universidad de Edimburgo, que está trabajando en estrategias similares de control de genes en la levadura. «Se puede reescribir el código de la vida», pero dice que las nuevas bacterias serían más seguras no por su dependencia de los aminoácidos sintéticos. La nueva especie tendrá problemas para sobrevivir en la naturaleza porque no podrán intercambiar fácilmente genes útiles con otras bacterias, dijo. «No pueden comunicarse con el tipo salvaje», señala, «porque [the researchers] diseñó una especie que habla un vocabulario químico diferente. «
control genético
En 2008, Genzyme, con sede en Cambridge, Massachusetts, tuvo que cerrar su biorreactor en Bélgica, donde las células de ovario de hámster chino producían los medicamentos Cerezyme y Fabrazyme para enfermedades genéticas. Las células ováricas habían sido víctimas de la infección por vesiculovirus, lo que atrofió su crecimiento. El verano siguiente, Genzyme experimentó la misma infección viral en su biorreactor en Allston, Massachusetts. Cada instalación tuvo que estar cerrada durante varios meses para una limpieza a fondo, lo que resultó en más de $100 millones en ventas de medicamentos perdidas.
En la actualidad, estos biorreactores son un gran negocio y se utilizan en todo el mundo para producir de todo, desde insulina hasta productos lácteos como yogur y queso. Aunque la fermentación ocurre en recipientes físicamente sellados, estos sellos no son perfectos y puede ocurrir contaminación cuando los virus ingresan e interrumpen el proceso, como fue el caso de Genzyme. O los microbios industriales podrían escapar, desplazando a los microbios salvajes si son genéticamente superiores.
Por lo general, los microbios industriales, como la bacteria E. coli modificada que utiliza DuPont para producir propilenglicol, un precursor del plástico, no pueden competir con sus primos salvajes si se liberan. Pero si los microbios tienen la genética que los hace resistentes a la infección viral, esa resistencia podría resultar una ventaja convincente en la lucha evolutiva por la supervivencia. «Esta categoría podría competir y convertirse en una especie invasora en la naturaleza», sugirió Church. «Eso no significa que sea malo para el medio ambiente, pero podría tener un impacto».
Para abordar este problema potencial, el equipo probó para ver si la necesidad de sintetizar aminoácidos evitaría que las bacterias resistentes a virus sobrevivieran fuera del laboratorio. «Quieres que esté aislado genética y metabólicamente de otras especies», señaló Church. Su equipo plantó 1 billón en energía renovable. coli que dependen de la síntesis de aminoácidos para ver si alguna célula podría desarrollar un escape, pero ninguna pudo. En el experimento de RE. E. coli se las arregla para sobrevivir a las mutaciones, y la E. coli normal puede desarrollar fácilmente mutantes escapados.
acerca de. E. coli es genéticamente tan diferente de sus primos salvajes que, de hecho, no debería poder intercambiar genes con éxito con ellos. Los cambios en RE. coli están dispersos por todo el genoma, por lo tanto, no hay suficientes genes en este intercambio conocido como transferencia horizontal de genes para permitir la producción y supervivencia de proteínas adecuadas, o los insectos intercambian tantos genes que la E. coli ajustada también perdido otros ajustes. En el estudio del grupo de Harvard, «o no tomaron suficiente ADN para escapar, o tomaron tanto ADN que cubrieron todo el genoma», dijo Daniel Mandel, genetista de la Facultad de Medicina de Harvard y autor principal del estudio. explicado. Papel del laboratorio de la Iglesia.
Esencialmente, RE. coli usa un lenguaje químico y genético diferente al de E. coli. «La recodificación crea un cortafuegos genético que impide el intercambio de material genético», dijo Isaacs. Su laboratorio también está trabajando en otros métodos de contención, incluido el ajuste adicional de cómo se expresan los genes individuales o la creación de un mecanismo celular que escinde el genoma cuando ciertas sustancias químicas ya no están presentes.
Quizás la barrera más importante para la adopción de RE. coli y otros organismos recodificados es el costo de las medidas de seguridad. Por ejemplo, el costo de agregar pAzF por litro de cultivo es cercano a los $300. Dado que un fermentador industrial puede contener al menos 1.000 litros, este costo puede ser prohibitivo. Por otro lado, bipA cuesta alrededor de $4 por litro. «Estos aminoácidos se eligieron para que fueran lo más baratos posible», dijo Church. «La opción real está disponible en bajas concentraciones y a bajo costo».
Pero un nivel tan alto de controles de seguridad plantea la posibilidad de que tales criaturas codificadas algún día puedan incluso ser liberadas en la naturaleza. «La introducción de este tipo de medidas de seguridad sienta las bases para nuevas aplicaciones de estos organismos, más allá de algunos de los procesos de fermentación involucrados», dijo Isaacs. «Se podría imaginar el uso de microbios especializados para la biorremediación o la ingeniería de organismos como probióticos que podrían combatir enfermedades».
El laboratorio de Church ahora está ampliando este trabajo para alterar siete codones en el RE. El genoma de E. coli, no solo ese genoma, crea un microbio que puede producir una gran cantidad de un compuesto determinado, resistir a los virus y no poder escapar del laboratorio, o causar problemas si se libera al resto del mundo. «Me sorprendió gratamente lo poco que fue el impacto en la productividad», dijo Church.
Isaacs señaló que la incorporación de nuevos aminoácidos sintéticos en las proteínas bacterianas podría alterar la función de esas proteínas, lo que permitiría nuevas reacciones químicas. A su vez, este cambio funcional podría permitir un RE ajustado. E. coli se convierte en una fundición viviente de nuevos productos o materiales que combinan aminoácidos sintéticos y naturales, como nuevos medicamentos proteicos o nuevos plásticos. «Podría convertirse en la base de nuevos vehículos de administración de fármacos o nanoestructuras, así como de insecticidas antimicrobianos», dijo. «Los primeros resultados son alentadores».
nueva vida
Los principales ajustes genéticos también implican este nuevo RE sintético. E. coli no es solo una especie nueva. Podría merecer la designación como una nueva clase, o incluso como un nuevo reino de la vida, ya que ya no puede interactuar genéticamente con otros microbios. «Una vez que esto se vuelve lo suficientemente diferente, es un trastorno del código genético diferente a todo lo que ha existido en el reino de la vida», argumentó Church.
Dicho esto, no es imposible liberarse de estos grilletes genéticos. Las modificaciones que mejoran la vida, ya sea por casualidad o por manipulación humana, florecerán, y no se han inventado salvaguardas que impidan que la evolución encuentre una forma de evitarlo. «Es una gran tecnología, pero no es el final del juego», señaló Cai. «Recién hemos comenzado una batalla en curso».
Y el trabajo no se detiene con E. coli. Por supuesto, esta recodificación podría extenderse a organismos industriales más grandes, como la levadura, y posiblemente incluso, algún día, a las plantas. «Las plantas tienen nueve veces más genes que codifican proteínas que E. coli», dijo Church, y señaló que esta diferencia significa que se debe sintetizar e insertar más ADN en el genoma de la planta, al tiempo que se trata del crecimiento relativamente lento de la planta. o célula vegetal en comparación con los microbios. «Es más desafiante, pero no está fuera de alcance».
