Creado el primer genoma 100% digital

Un grupo de científicos de la Escuela Politécnica Federal de Zúrich ha dado un paso más en la unión de la tecnología y la vida al generar el primer genoma bacteriano diseñado completamente de manera artificial por un algoritmo. Gracias a esta investigación en el futuro se podrán crear moléculas o vitaminas activas complejas, además de la producción de vacunas basadas en el ADN. La pregunta es, ¿éticamente es correcto?

Caulobacter crescentus vista a través del microscopio

Caulobacter crescentus vista a través del microscopio

Caulobacter crescentus es una bacteria inofensiva de agua dulce que se encuentra en aguas de todo el mundo. Además, C. crescentus es un organismo modelo utilizado comúnmente en laboratorios de investigación para estudiar la vida de las bacterias. Su genoma incluye 4.000 genes.

Foto: AgeFotostock

Caulobacter crescentus: micrografía electrónica

La secuencias genómicas conocidas de todos los organismos a nivel mundial se almacenan en una base de datos del Centro Nacional de Información Biotecnológica de los Estados Unidos. Hoy, esta enorme base de datos cuenta con una secuencia más: la de la bacteria bautizada como Caulobacter ethensis 2.0 y que es completamente diversa a todas las demás. No es, para nada, una bacteria normal. Por el contrario, se trata del primer organismo diseñado completamente por ordenador. El desarrollo se ha llevado a cabo en la Escuela Politécnica Federal deZúrich -ETH por sus siglas en alemán- quienes han publicado recientemente en la revista PNAS los resultados de su estudio bajo el título: Chemical synthesis rewriting of a bacterial genome to achieve design flexibility and biological functionality .

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Bacterias 2.0

Caulobacter crescentus es un organismo modelo utilizado comúnmente en los laboratorios de investigación para estudiar la vida de las bacterias y que se encuentra en los lagos de todo el mundo. Es una bacteria asociada al agua, inocua, que no causa ningún tipo de enfermedad y podríamos decir que es el padre, o la madre, de Caulobacter ethensis 2.0, ya que los científicos se basaron en el código genético del primero para diseñar a su pariente artificial.

Sin embargo la diferencia entre ambos es evidente: mientras que Caulobacter crescentus es un organismo real, Caulobacter ethensis 2.0 existe tan solo en forma de ADN, es decir, lo que los científicos han logrado es sintetizar su ADN en forma de cromosoma, pero aún no existe un organismo real asociado al mismo. Otro famoso ejemplo es capaz de ilustrar el hallazgo: los científicos bien podrían secuenciar el genoma completo de un mamut a partir de los restos encontrados en el registro fósil, pero no por ello, crear un mamut de carne hueso.

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Beat Christen, Profesor de Biología en el ETH de Zúrich, y su hermano Matthias Christen, químico en el mismo centro, autores del estudio, para llevar a cabo su investigación, se inspiraron en el trabajo del pionero en genética estadounidense Craig Venter, el primero en reproducir en un laboratorio el ADN de una bacteria, mycoplasma mycoides, de manera artificial. Venter trabajó con un equipo de 20 personas durante más de 10 años para copiar el genoma de mycoplasma mycoides. Los hermanos Christen, por el contrario, han cambiado deliberadamente el genoma de Caulobacter crescentus la con la ayuda de un algoritmo informático, para crear Caulobacter ethensis 2.0.

Un genoma simplificado

Para poder sintetizar el ADN de Caulobacter ethensis 2.0. de la manera más simple posible y luego ensamblar las secciones de la manera más racional, los científicos han simplificado la secuencia del genoma sin cambiar la información genética real. Caulobacter crescentus dispone de unos 4.000 genes mientras que Caulobacter ethensis 2.0 solo 680.

Los científicos han simplificado la secuencia del genoma de Caulobacter sin cambiar la información genética real

Existe un gran margen para la simplificación del genoma porque la existe mucha información redundante en el código genético, y lo que ha hecho el algoritmo desarrollado por los hermanos Christen ha sido precisamente identificar esas redundancias y diseñar un ADN simplificado aún funcional. "En nuestro genoma, la secuencia de bloques de construcción de ADN es nueva e irreconocible en comparación con la secuencia original, pero la función biológica a nivel de proteínas sigue siendo la misma", afirma Beat Christen en el comunicado de prensa emitido por la ETH .

Una prueba de fuego para la genética

"La síntesis de estos cortes de ADN no siempre es fácil", explica Matthias Christen. "Debido a que las moléculas de ADN no solo tienen la capacidad de unirse a otras moléculas de ADN, si no que también pueden formar bucles y bolas con ellas mismas, dependiendo de la secuencia de sus componentes, puede hacer que sintetizar ADN sea muy difícil o imposible".

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"Nuestro método es una prueba de fuego para comprobar si los biólogos hemos entendido la genética correctamente y nos permite descubrir cualquier brecha de conocimiento", prosigue Beat. "En el genoma reescrito, inevitablemente, solo se contiene información que los investigadores han entendido. Cualquier información adicional "oculta" en la secuencia de ADN y aún no entendida por la ciencia se habría perdido a través de la recodificación" añade.

"Con los conocimientos adquiridos, será posible mejorar nuestro algoritmo para desarrollar una versión de Caulobacter ethensis 100% funcional"

Para poner a prueba la funcionalidad del genoma reescrito, los científicos produjeron cepas bacterianas que contenían tanto el genoma natural de Caulobacter crescentus como partes del nuevo genoma artificial. Al procurar que los genes naturales individuales estén inactivos en estas bacterias, los investigadores pudieron verificar la función de los genes artificiales. En sus experimentos, los investigadores encontraron que solo alrededor de 580 de los 680 genes artificiales son funcionales. "Con los conocimientos adquiridos, será posible para nosotros para mejorar nuestro algoritmo, para desarrollar una versión completamente funcional 3.0 de Caulobacter ethensis", afirma Beat.

Un futuro prometedor y un debate ético

"Aunque nuestra versión actual del genoma de caulobacter no es perfecta, nuestro trabajo muestra que los sistemas biológicos están estructurados de manera tan simple que en el futuro podremos diseñarlos por ordenador de acuerdo con nuestros propósitos y luego construirlos", explica Matthias Christen. "Y de una manera comparativamente simple" enfatiza su hermano: "Lo que llevó diez años con la tecnología de Craig Venter, nosotros lo hemos logrado en tan solo uno y a un coste de solo unos 107.000 euros, frente a los 40 millones de dólares que necesitó Venter", añade.

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"Creemos que pronto será posible producir células bacterianas funcionales a partir de dicho genoma", explica Beat Christen. Esto tiene un gran potencial. Las posibles aplicaciones futuras incluyen microorganismos sintéticos que podrían usarse en biotecnología, como la preparación de moléculas o vitaminas activas complejas, además de la producción de vacunas basadas en el ADN.

"Los sistemas biológicos están estructurados de manera tan simple que en el futuro podremos diseñarlos por ordenador de acuerdo con nuestros propósitos"

"Pero por muy prometedores que puedan ser los resultados de la investigación y las posibles aplicaciones, exigen un profundo debate social sobre los fines para los que se puede usar esta tecnología y cómo prevenir su abuso", explica Beat Christen. Aún no está claro cuándo será la primera bacteria con un genoma completamente artificial, pero ahora está claro que puede y será desarrollado. "Ahora tenemos que usar este tiempo para discutir entre científicos, pero también con la sociedad en general", concluye.

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