Genomas sintéticos capaces de autorreplicarse

El campo de la biología sintética no solo observa y describe los procesos de la vida, sino que también los emula. Una característica clave de la vida es su capacidad de replicación, lo que significa el mantenimiento de un sistema químico. Unos científicos del Instituto Max Planck de Bioquímica en Martinsried (Alemania) han generado un sistema que puede regenerar partes de su propio ADN y bloques de construcción de proteínas.

En el campo de la biología sintética, los científicos investigan los procesos que permiten la generación de sistemas que emulan la vida a partir de bloques de construcción inanimados. Una de las características más fundamentales de todos los organismos vivos es la capacidad de conservarse y reproducirse como entidades distintas. Sin embargo, crear mediante procesos artificiales de ese tipo un sistema que sea capaz de replicarse a sí mismo, ha venido siendo un reto insuperable, al menos hasta ahora... Por vez primera, el equipo de Hannes Mutschler y Kai Libicher ha logrado superar este obstáculo y sintetizar un sistema de ese tipo.

Tanto la replicación de genomas como la síntesis de proteínas son procesos fundamentales para la autoconservación y reproducción de sistemas biológicos. El equipo de Mutschler y Libicher ha logrado producir un sistema in vitro en el que ambos procesos pueden tener lugar simultáneamente. Este sistema es capaz de regenerar por sí mismo una proporción significativa de sus componentes moleculares.

Para comenzar este proceso, los investigadores necesitaban un “manual de construcción”, así como varias "máquinas" moleculares y nutrientes. Traducido a términos biológicos, esto significa que el manual de construcción es el ADN, que contiene la información para producir proteínas. Estas a menudo son descritas como "máquinas moleculares" porque muchas veces actúan como catalizadores, que aceleran las reacciones bioquímicas en los organismos. Los componentes básicos del ADN son los llamados nucleótidos. Las proteínas están hechas de aminoácidos.

Los factores de traducción del genoma artificial provienen de la bacteria Escherichia coli. Estas proteínas son importantes para la traducción de las instrucciones de construcción del ADN en proteínas y, por lo tanto, son esenciales para los sistemas autorreplicantes. (Imagen: MPI f. Developmental Biology / Jürgen Berger)

Lectura y copia de genomas de ADN largos

Específicamente, los investigadores han optimizado un sistema de expresión in vitro que sintetiza proteínas basadas en un modelo o “plano de construcción” de ADN. Debido a varias mejoras, el sistema de expresión in vitro ahora puede sintetizar proteínas (ADN polimerasas) de manera muy eficiente. Estas ADN polimerasas luego replican el ADN usando nucleótidos. A diferencia de lo conseguido en estudios previos, el nuevo sistema es capaz de leer y copiar genomas de ADN comparativamente largos.

El equipo de Mutschler y Libicher ensambló los genomas artificiales de hasta once piezas de ADN en forma de anillo. Esta estructura modular les permite insertar o eliminar ciertos segmentos de ADN fácilmente. El genoma modular más grande reproducido por los investigadores en el estudio consta de más de 116.000 pares de bases, alcanzando así la longitud que tiene el genoma de células muy simples.

Además de codificar las polimerasas que son importantes para la replicación del ADN, el genoma artificial contiene “planos de construcción” para proteínas adicionales, como por ejemplo 30 factores de traducción provenientes de la bacteria Escherichia coli. Los factores de traducción son importantes para que los “planos de construcción” albergados en el ADN se traduzcan en las proteínas respectivas.

Por lo tanto, son esenciales para los sistemas autorreplicantes, que imitan los procesos bioquímicos. Para demostrar que el nuevo sistema de expresión in vitro no solo es capaz de reproducir ADN, sino que también puede producir sus propios factores de traducción, los investigadores utilizaron espectrometría de masas. Con este método analítico, determinaron la cantidad de proteínas producidas por el sistema.

Sorprendentemente, algunos de los factores de traducción incluso estuvieron presentes en cantidades más grandes después de la reacción. Este es un paso importante hacia un sistema de autorreplicación continua que imita los procesos biológicos. (Fuente: NCYT Amazings)