Una máquina crea el genoma de un ser vivo artificial
Científicos del Instituto Tecnológico de Zurich han creado un algoritmo que abarata y hace más sencilla la síntesis química de genomas completos.
Esto servirá para crear genomas con los genes indispensables para que microbios artificiales cumplan tareas concretas, como fabricar medicamentos, hormonas o degradar productos contaminantes.
SeguirGonzalo López Sánchez@GonzaloSyldavia
MADRID Actualizado:07/04/2019 01:25h
1 A la caza de vida artificial
En 2010 el equipo de investigadores del científico multimillonario Craig Venter logró un hito histórico: el de crear laprimera forma de vida con un genoma sintético. Dentro de este ADN los científicos introdujeron varias frases y direcciones de correo electrónico junto a todo lo necesario para la vida de una bacteria. Ya en 2016, Venter sintetizó un genoma con la cantidad indispensable de genes y lo introdujo en una célula preexistente, una pequeña y simple bacteria, con lo que logró crear una forma de vida artificial mínima. El objetivo de ambas investigaciones, que forman parte de un campo en pleno desarrollo y conocido como biología sintética, es diseñar genomas a medida. La idea es introducirlos en las células para que estas actúen como «chasis» en los que montar herramientas específicas. Con esto se puede lograr que los microorganismos trabajen como obreros incansables, fabricando medicamentos, hormonas y combustibles o degradando sustancias contaminantes, por ejemplo.
La vida artificial y la «domesticación» del ADN serán revolucionarias, pero todavía no son posibles. En primer lugar, porque no conocemos la genética de los seres vivos con la suficiente profundidad y, en segundo, porque producir genomas completos, a medida, resulta caro y complejo. Esta semana, sin embargo, un estudio que se ha publicado en Proceedings of the National Academy of Sciences ha dado un paso adelante en la simplificación del proceso. Investigadores de la Escuela Politécnica Federal de Zúrich (ETH-Z), Suiza, han creado un genoma artificial mínimo con ayuda de un algoritmo informático capaz de modificar las secuencias de forma automática para facilitar la fabricación de todos estos genes. Este algoritmo evita problemas estructurales y hace la síntesis química del material genético mucho más sencilla y barata.
«Los intentos anteriores para sintetizar genomas químicamente han estado restringidos a copiar secuencias naturales letra a letra», ha explicado a ABC Beat Christen, primer autor del estudio junto a su hermano, Matthias Christen, ambos investigadores en el ETH-Z. «Nuestra aproximación nos permite reescribir genomas completos en secuencias que son fáciles de manufacturar, lo que simplifica la producción de genomas sintéticos».
Tanto, que si al equipo de Craig Venter necesitó 10 años de trabajo y una inversión de 40 millones de dólares para sintetizar el primer genoma artificial, los Christen aseguran haberlo hecho en tan solo un año y tras una inversión de 120.000 francos suizos (menos de 110.000 euros).
Fotografía de «Caulobacter crescentus», cuyo genoma ha sido usado como base en esta investigación - Dominio público
Diseño a medida del genoma
En concreto, los investigadores han creado un genoma artificial mínimo partiendo del ADN de Caulobacter crescentus, una bacteria inocua para el ser humano que vive en ecosistemas acuáticos de agua dulce. Partiendo de lo que se sabe sobre este organismo, que es mucho, porque se usa como modelo de trabajo en el laboratorio, diseñaron un genoma reducido con solo 680 genes, cuando este microbio tiene 4.000 (en comparación, el humano tiene 20.000). De estos, han averiguado que 580 son funcionales. El algoritmo modificó la sexta parte de las 800.000 «letras» que componen el ADN de este organismo artificial, y el proceso de síntesis requirió el ensamblaje de 236 segmentos de material genético.
Estos 680 genes son los mínimos indispensables para que la bacteria sobreviva en el laboratorio y, por eso, son un punto de partida para usar a esta bacteria como un «chasis» básico en el que ensamblar más herramientas (genes) para funciones concretas. De momento, los autores han proclamado haber creado un nuevo genoma de ser vivo, al que han llamado Caulobacter ethensis-2.0.
«Aunque nuestra versión actual del genoma no es perfecta, nuestro trabajo muestra que los sistemas biológicos están construidos de una forma tan simple que en un futuro seremos capaces de diseñar especificaciones acordes a nuestros objetivos y entonces construirlos», ha dicho un optimista Matthias Christen.
Por el momento, sin embargo, lo cierto es que no han podido implantar el genoma completo en un organismo. En lugar de eso, solo han comprobado que este genoma mínimo funciona, insertando porciones más pequeñas del ADN, fragmento a fragmento. Además, también es verdad que poder diseñar este tipo de «paquetes» mínimos de genes requiere conocer muy profundamente la biología de cada microorganismo, y no solo el de Caulobacter crescentus.
«Un logro tecnológico»
En opinión de Juli Peretó, vicedirector del Instituto de Biología Integrativa de Sistemas (Universidad de Valencia-CSIC), este «es un avance tecnológico importante». Sin embargo, este científico ha resaltado que, «conceptualmente, lo que han hecho ya se ha logrado en otros organismos». Por tanto, según Peretó, «en sí misma, la construcción del genoma no es una gran novedad, puesto que Venter también construyó uno químicamente y luego lo ensambló». En realidad, «lo más importante es el intento de optimizar y hacer más sencillo el proceso».
En este sentido ha coincidido Andrés Moya, catedrático de Genética en el mismo departamento de la Universidad de Valencia. «En esencia –los investigadores del ETH-Z– han tratado de quitar elementos redundantes, dañinos o incluso remodelar los genes funcionales», según ha explicado Moya. «Este trabajo ciertamente supone un avance. Lo que es novedoso es la estrategia para remodelar y minimizar el genoma. Esta tiene una doble ventaja: se conoce con mayor precisión lo que se ha sintetizado, con respecto a lo que hizo Venter, y, en segundo lugar, el coste del proceso es sustancialmente menor».
¿Cómo lo han hecho? Según ha explicado Peretó, la clave está en que los Christen han logrado que un software optimice el genoma de Caulobacter «para que sea más fácil sintetizarlo químicamente, resolviendo complicaciones estructurales en algunas regiones, que dificultan la síntesis química». Por ejemplo, ocurre que algunas «letras» que constituyen el código genético tienden a formar estructuras en las hebras: pero en este caso, el programa del ETH-Z ha sido capaz de cambiar algunas de estas letras, que tienen el mismo significado, para que no formen estas estructuras.
Los autores han resaltado que esta tecnología permite aprender mucho sobre la biología básica de estos seres vivos, «tapando huecos en el conocimiento previo». Y, sobre todo, creen que pronto podrán producir bacterias funcionales con el genoma fabricado, y que podrán exportar esta técnica a otros microbios para todo tipo de aplicaciones.
¿Para qué crear vida artificial?
¿Para qué esforzarse en esto, y no sencillamente seguir ahondando en la biotecnología más tradicional, que también modifica genes? «Una de las razones de crear vida artificial y genomas minimizados es aproximarse al control total del sistema», ha explicado Juli Peretó. «El objetivo final es interpretar el funcionamiento de la vida como lo haría un ingeniero con una máquina. Esto es lo que se llama biología sintética».
En palabras de Andrés Moya, «se persigue disponer de un ente biológico controlable». La diferencia respecto a la biotecnolgía tradicional es cualitativa: «Si diseñamos un organismo sintético en la línea que aquí se presenta, estamos avanzando hacia un mayor control o dominio de lo sintetizado, que si el genoma en cuestión fuera una reducción o partición de un genoma natural». No es lo mismo tratar de montar un coche a partir de piezas preexistentes que diseñar todo el coche desde cero.
¿Qué deparará el futuro? «Mi predicción es que en los próximos pocos años vamos a ver avances muy grandes en la síntesis de genes y de genomas», ha aventurado Peretó. Quizás con la ayuda de inteligencias artificiales capaces de aprender y de enfrentarse a nuevos genomas, en un futuro no muy lejano: «Fabricar un genoma va a ser muy fácil, rápido y barato. Estó abrirá muchas puertas en biología sintética e ingeniería metabólica».
Sin embargo, Juli Peretó ha destacado que todavía hay un largo camino por delante. Por una parte, ha señalado que todavía no se han creado genes artificiales, sino que todos los intentos se han limitado a plagiar a la naturaleza o a modificarla en mayor o menor medida. Por otra, ha destacado la presencia de propiedades emergentes (que surgen en sistemas complejos y no se pueden explicar solo con la suma de las partes) en los seres vivos: «Yo estoy entre los críticos de esa visión dura ingenieril. La biología nunca se va a someter a los rigores de lo que es normal en ingeniería, la electrónica o la mecánica». ¿Por qué? Según el experto, «porque hablamos de otro tipo de maquinaria, hecha de componentes flexibles y promiscuos, que hacen varias cosas a la vez, y que resultan muy difíciles de controlar y de predecir». ¿Cómo será entonces un futuro donde los microbios podrán diseñarse para solucionar algunos de nuestros problemas?
https://www.abc.es/ciencia/abci-maquina-crea-genoma-vivo-artificial-201904070125_noticia.html
Científicos del Instituto Tecnológico de Zurich han creado un algoritmo que abarata y hace más sencilla la síntesis química de genomas completos.
Esto servirá para crear genomas con los genes indispensables para que microbios artificiales cumplan tareas concretas, como fabricar medicamentos, hormonas o degradar productos contaminantes.
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Gonzalo López Sánchez@GonzaloSyldaviaMADRID Actualizado:07/04/2019 01:25h
1 A la caza de vida artificial
En 2010 el equipo de investigadores del científico multimillonario Craig Venter logró un hito histórico: el de crear laprimera forma de vida con un genoma sintético. Dentro de este ADN los científicos introdujeron varias frases y direcciones de correo electrónico junto a todo lo necesario para la vida de una bacteria. Ya en 2016, Venter sintetizó un genoma con la cantidad indispensable de genes y lo introdujo en una célula preexistente, una pequeña y simple bacteria, con lo que logró crear una forma de vida artificial mínima. El objetivo de ambas investigaciones, que forman parte de un campo en pleno desarrollo y conocido como biología sintética, es diseñar genomas a medida. La idea es introducirlos en las células para que estas actúen como «chasis» en los que montar herramientas específicas. Con esto se puede lograr que los microorganismos trabajen como obreros incansables, fabricando medicamentos, hormonas y combustibles o degradando sustancias contaminantes, por ejemplo.
La vida artificial y la «domesticación» del ADN serán revolucionarias, pero todavía no son posibles. En primer lugar, porque no conocemos la genética de los seres vivos con la suficiente profundidad y, en segundo, porque producir genomas completos, a medida, resulta caro y complejo. Esta semana, sin embargo, un estudio que se ha publicado en Proceedings of the National Academy of Sciences ha dado un paso adelante en la simplificación del proceso. Investigadores de la Escuela Politécnica Federal de Zúrich (ETH-Z), Suiza, han creado un genoma artificial mínimo con ayuda de un algoritmo informático capaz de modificar las secuencias de forma automática para facilitar la fabricación de todos estos genes. Este algoritmo evita problemas estructurales y hace la síntesis química del material genético mucho más sencilla y barata.
«Los intentos anteriores para sintetizar genomas químicamente han estado restringidos a copiar secuencias naturales letra a letra», ha explicado a ABC Beat Christen, primer autor del estudio junto a su hermano, Matthias Christen, ambos investigadores en el ETH-Z. «Nuestra aproximación nos permite reescribir genomas completos en secuencias que son fáciles de manufacturar, lo que simplifica la producción de genomas sintéticos».
Tanto, que si al equipo de Craig Venter necesitó 10 años de trabajo y una inversión de 40 millones de dólares para sintetizar el primer genoma artificial, los Christen aseguran haberlo hecho en tan solo un año y tras una inversión de 120.000 francos suizos (menos de 110.000 euros).
Fotografía de «Caulobacter crescentus», cuyo genoma ha sido usado como base en esta investigación - Dominio público
Diseño a medida del genoma
En concreto, los investigadores han creado un genoma artificial mínimo partiendo del ADN de Caulobacter crescentus, una bacteria inocua para el ser humano que vive en ecosistemas acuáticos de agua dulce. Partiendo de lo que se sabe sobre este organismo, que es mucho, porque se usa como modelo de trabajo en el laboratorio, diseñaron un genoma reducido con solo 680 genes, cuando este microbio tiene 4.000 (en comparación, el humano tiene 20.000). De estos, han averiguado que 580 son funcionales. El algoritmo modificó la sexta parte de las 800.000 «letras» que componen el ADN de este organismo artificial, y el proceso de síntesis requirió el ensamblaje de 236 segmentos de material genético.
Estos 680 genes son los mínimos indispensables para que la bacteria sobreviva en el laboratorio y, por eso, son un punto de partida para usar a esta bacteria como un «chasis» básico en el que ensamblar más herramientas (genes) para funciones concretas. De momento, los autores han proclamado haber creado un nuevo genoma de ser vivo, al que han llamado Caulobacter ethensis-2.0.
«Aunque nuestra versión actual del genoma no es perfecta, nuestro trabajo muestra que los sistemas biológicos están construidos de una forma tan simple que en un futuro seremos capaces de diseñar especificaciones acordes a nuestros objetivos y entonces construirlos», ha dicho un optimista Matthias Christen.
Por el momento, sin embargo, lo cierto es que no han podido implantar el genoma completo en un organismo. En lugar de eso, solo han comprobado que este genoma mínimo funciona, insertando porciones más pequeñas del ADN, fragmento a fragmento. Además, también es verdad que poder diseñar este tipo de «paquetes» mínimos de genes requiere conocer muy profundamente la biología de cada microorganismo, y no solo el de Caulobacter crescentus.
«Un logro tecnológico»
En opinión de Juli Peretó, vicedirector del Instituto de Biología Integrativa de Sistemas (Universidad de Valencia-CSIC), este «es un avance tecnológico importante». Sin embargo, este científico ha resaltado que, «conceptualmente, lo que han hecho ya se ha logrado en otros organismos». Por tanto, según Peretó, «en sí misma, la construcción del genoma no es una gran novedad, puesto que Venter también construyó uno químicamente y luego lo ensambló». En realidad, «lo más importante es el intento de optimizar y hacer más sencillo el proceso».
En este sentido ha coincidido Andrés Moya, catedrático de Genética en el mismo departamento de la Universidad de Valencia. «En esencia –los investigadores del ETH-Z– han tratado de quitar elementos redundantes, dañinos o incluso remodelar los genes funcionales», según ha explicado Moya. «Este trabajo ciertamente supone un avance. Lo que es novedoso es la estrategia para remodelar y minimizar el genoma. Esta tiene una doble ventaja: se conoce con mayor precisión lo que se ha sintetizado, con respecto a lo que hizo Venter, y, en segundo lugar, el coste del proceso es sustancialmente menor».
¿Cómo lo han hecho? Según ha explicado Peretó, la clave está en que los Christen han logrado que un software optimice el genoma de Caulobacter «para que sea más fácil sintetizarlo químicamente, resolviendo complicaciones estructurales en algunas regiones, que dificultan la síntesis química». Por ejemplo, ocurre que algunas «letras» que constituyen el código genético tienden a formar estructuras en las hebras: pero en este caso, el programa del ETH-Z ha sido capaz de cambiar algunas de estas letras, que tienen el mismo significado, para que no formen estas estructuras.
Los autores han resaltado que esta tecnología permite aprender mucho sobre la biología básica de estos seres vivos, «tapando huecos en el conocimiento previo». Y, sobre todo, creen que pronto podrán producir bacterias funcionales con el genoma fabricado, y que podrán exportar esta técnica a otros microbios para todo tipo de aplicaciones.
¿Para qué crear vida artificial?
¿Para qué esforzarse en esto, y no sencillamente seguir ahondando en la biotecnología más tradicional, que también modifica genes? «Una de las razones de crear vida artificial y genomas minimizados es aproximarse al control total del sistema», ha explicado Juli Peretó. «El objetivo final es interpretar el funcionamiento de la vida como lo haría un ingeniero con una máquina. Esto es lo que se llama biología sintética».
En palabras de Andrés Moya, «se persigue disponer de un ente biológico controlable». La diferencia respecto a la biotecnolgía tradicional es cualitativa: «Si diseñamos un organismo sintético en la línea que aquí se presenta, estamos avanzando hacia un mayor control o dominio de lo sintetizado, que si el genoma en cuestión fuera una reducción o partición de un genoma natural». No es lo mismo tratar de montar un coche a partir de piezas preexistentes que diseñar todo el coche desde cero.
¿Qué deparará el futuro? «Mi predicción es que en los próximos pocos años vamos a ver avances muy grandes en la síntesis de genes y de genomas», ha aventurado Peretó. Quizás con la ayuda de inteligencias artificiales capaces de aprender y de enfrentarse a nuevos genomas, en un futuro no muy lejano: «Fabricar un genoma va a ser muy fácil, rápido y barato. Estó abrirá muchas puertas en biología sintética e ingeniería metabólica».
Sin embargo, Juli Peretó ha destacado que todavía hay un largo camino por delante. Por una parte, ha señalado que todavía no se han creado genes artificiales, sino que todos los intentos se han limitado a plagiar a la naturaleza o a modificarla en mayor o menor medida. Por otra, ha destacado la presencia de propiedades emergentes (que surgen en sistemas complejos y no se pueden explicar solo con la suma de las partes) en los seres vivos: «Yo estoy entre los críticos de esa visión dura ingenieril. La biología nunca se va a someter a los rigores de lo que es normal en ingeniería, la electrónica o la mecánica». ¿Por qué? Según el experto, «porque hablamos de otro tipo de maquinaria, hecha de componentes flexibles y promiscuos, que hacen varias cosas a la vez, y que resultan muy difíciles de controlar y de predecir». ¿Cómo será entonces un futuro donde los microbios podrán diseñarse para solucionar algunos de nuestros problemas?
https://www.abc.es/ciencia/abci-maquina-crea-genoma-vivo-artificial-201904070125_noticia.html