El cromosoma sintético y la levadura

Esta semana la ciencia nos sorprende con un gran avance en el campo de la biología sintética. Resulta que un grupo de investigadores norteamericanos, liderados por el Dr. Jef Boeke del Langone Medical Center de la Universidad de Nueva York, han logrado rediseñar y sintetizar químicamente en el laboratorio un cromosoma entero de la levadura Saccharomyces cerevisiae. Y no solo eso, el cromosoma sintético fue completamente funcional. Esto abre las puertas para el diseño de organismos con nuevas funciones.

Imagen | Science.

Todos los seres vivos tenemos ADN. El ADN es una molécula que transmite información codificada de generación en generación. Está dividido en pequeñas porciones continuas llamadas genes que pueden tener longitudes variables. Son los genes los que codifican, guían y moldean el desarrollo de un determinado organismo a través de los productos de su expresión: las proteínas. Los virus de la gripe tienen sólo una decena de genes; las bacterias de nuestra flora intestinal, algo más de mil; las levaduras —como el protagonista de esta historia—, unos 6000; y, el hombre, unos 25.000. Hay una correlación algo engañosa el número de genes y la complejidad del organismo. Pero no siempre es así.

En las células eucariotas (que tienen núcleo) el ADN total (también conocido como genoma) está dividido en varios fragmentos llamados cromosomas. Cada cromosoma contiene varios genes. Los humanos tenemos 46 cromosomas (23 de nuestro padre y 23 de nuestra madre); mientras que las levaduras, 16.

Entonces, lo que hicieron el Dr. Boeke y su equipo fue utilizar los cuatro componentes que forman el ADN llamados nucleótidos (Adenina, Guanina, Citosina y Timina) como si fueran piezas de Lego®, para re-ensamblar el cromosoma 3 de la levadura, pieza por pieza, en base a un patrón dado: la secuencia genética del cromosoma original ligeramente editado. Luego, este cromosoma sintético —al que llamaron SynIII— fue insertado en una levadura para ver si funcionaba tal como lo haría uno natural.

Levaduras con los cromosoma naturales (wild type, primera columna en cada cuadro) y con el cromosoma 3 sintético (synIIIL y sinIII, segunda y tercera columna en cada cuadro)

Los resultados mostraron que sí. No había diferencias significativas entre la levadura con el cromosoma sintético y la levadura normal incluso si estas crecían bajo diferentes condiciones de cultivo. De esta manera, Boeke y su equipo lograron obtener la primera levadura que vive con un cromosoma sintético. Ya en el 2010, el Dr. Craig Venter hizo lo propio con una bacteria (Mycoplasma mycoides), la cual vivía con un genoma sintético.

Pero hay una historia mucho más interesante detrás de esta investigación que me gustaría contártela.

Todo empezó en el 2004. El genetista Ronald Davis daba una conferencia sobre biología sintética en Seattle (EEUU). Davis trataba de convencer a sus colegas de crear cromosomas artificiales de levaduras para luego instalarlos dentro de ellas y ver si funcionaban adecuadamente. Sin dudas, hace una década, esta era una idea muy osada. El Dr. Jef Boeke, que escuchaba atentamente la conferencia de Davis, no le veía sentido alguno copiar y ensamblar los 12 millones de pares de base que tiene el genoma de la levadura. "¡Quién en la tierra va a querer hacer algo así!", pensaba.

Dos años después, mientras Boeke tomaba un café en el campus de la Johns Hopkins University, su colega el Dr. Chandrasegaran lo trataba de convencer que produzcan un gran número de nucleasas dedos de zinc (una enzima capaz de hacer cambios en el genoma en secuencias específicas) para manipular el genoma de las levaduras con mayor facilidad. A Boeke no le interesaba la idea y en son de broma dijo que la forma más drástica para controlar el genoma de la levadura era creando uno desde cero. Chandrasegaran no entendió el sarcasmo y se tomó la idea en serio. Incluyeron al biólogo computacional Joel Bader en la discusión y entre los tres se propusieron construir el genoma artificial de la levadura.

¿Quién lo diría? Dos años atrás Boeke rechazaba la idea de Davis y ahora él y dos colegas trataban de realizarla.

Jef Boeke posando para la foto.

Sin embargo, antes de aventurarse a ensamblar en el laboratorio el genoma completo de la levadura, Boeke y su equipo debían demostrar si este organismo era capaz de vivir con una porción de ADN sintético. Para este primer experimento eligieron un pedacito del cromosoma 9 —el más corto de los 16 cromosomas— llamado "brazo R".

Usando herramientas computacionales, editaron la secuencia genética del brazo R con el fin de volverlo más estable. Por ejemplo, le quitaron las porciones de ADN que no forman parte de los genes o que nunca llegan a expresarse (ADN no codificante e intrones), los telómeros (secuencias de ADN repetidas que protegen los extremos de los cromosomas) y algunos genes con alta vulnerabilidad a las mutaciones. Asimismo, le incorporaron una secuencia genética llamada loxP, en diferentes partes del brazo R, para usarlos más adelante como puntos de intercambio.

Luego, Boeke contrató a la empresa biotecnológica Codon Devices para que realizaran la tarea de sintetizar esta porción del cromosoma 9 a partir de la secuencia que había sido editada en la computadora. Pasó casi un año y Boeke no recibía noticia alguna de la compañía. Pero fue esta tensa espera que le hizo pensar en una mejor salida: usar a sus alumnos de pregrado para que cada uno de ellos sintetice y ensamble una porción del brazo R. Esto reduciría el tiempo y los costos que demanda la síntesis de grandes porciones de ADN.

Fue así que en el ciclo de verano del 2007 puso en marcha su idea. El curso se llamó "Build a Genome" ("Construye un genoma") y se dictaba tres veces por semana. Originalmente, el curso consistía en que cada alumno ensamblara pequeños trozos de ADN de 75 pares de base (pb) hasta formar secuencias mucho más largas, por ejemplo, de 1500 pb. La secuencia de estos trozos de ADN coincidían entre sí por los extremos. Esto permitía pegarlos uno tras de otro en base a su similaridad. De esta manera, 16 fragmentos de 75 pb se ensamblaban para formar fragmentos de 750 pb. Luego estos fragmentos más grandes se "fotocopiaba" usando una técnica llamada PCR y se introducía dentro de unas bacterias para  que ellas ahora se encargaran de ensamblarlas —también por los extremos— para formar fragmentos de ADN mucho más grandes.

Cómo se ensamblan los pequeños trozos de ADN hasta formar fragmentos mucho más largos.

Mientras esto pasaba, Codon Devices por fin le enviaba su pedido al Dr. Boeke quien inmediatamente se puso a probar si la levadura incorporaba adecuadamente esta porción de ADN sintético. Los resultados que finalmente fueron publicados en el 2011 en Nature demostraron que la levadura vivió sin problemas con una porción sintética del cromosoma 9 y del cromosoma 6.

El primer curso de "Construye un genoma" implementado en la Johns Hopkins University fue un éxito rotundo. Los estudiantes lograron ensamblar fragmentos de 30.000 pb, 20 veces más grande de los 1500 pb estimados originalmente. Boeke demostró que los estudiantes, a parte de aprender y ganar experiencia en el campo de la biología sintética, funcionaban como una máquina de síntesis y ensamblaje de ADN viviente. El siguiente paso fue ensamblar desde cero el cromosoma 3 de la levadura de aproximadamente 316.000 pb (el 2.5% del genoma). Un año y medio después y gracias a la colaboración de 49 estudiantes, el cromosoma 3 sintético de 273.000 pb —menos que el original debido a la edición en la computadora que comentamos anteriormente y que se aprecia en la figura de abajo— fue ensamblado. Se hicieron las pruebas respectivas y los resultados fueron satisfactorios según reportaron el jueves pasado en Science.

Edición realizada en la secuencia del cromosoma 3. Se quitaron las secuencias no codificantes, los genes saltarines (retrotransposones) y telómeros. Se cambió la secuencia que indica donde termina los genes TAG por TAA. Se incorporó las secuencias loxP para una reorganización del cromosoma 3 cuando se pone estradiol en el medio de cultivo y marcadores específicos para diferenciar al cromosoma sintético del natural.

Boeke no se dormía en sus laureles sino que empezó a implementar el curso en otras universidades. Participó en el Primer Congreso del Genoma Sintético de la Levadura (Sc2.0) en China, donde el Dr. Ying-Jin Yuang de la Tianjin University implementó su propio curso de "Construye un genoma" que para el verano del 2012, sus 60 estudiantes ya habían ensamblado el cromosoma 5. En julio del 2013, el biólogo sintético Tom Ellis del Imperial College London el segundo congreso Sc2.0 y el gobierno británico anunció otorgar un millón de libras al proyecto. Y así otros países más se vienen incorporando a esta iniciativa. Boeke espera que en dos años más se pueda completar todos los cromosomas sintéticos de la levadura.

Países e instituciones que han mostrado su interés y vienen trabajando en el proyecto Sc2.0.

Actualmente, es mucho más económico comprar secuencias sintéticas de ADN de 750 pb. Esto permite que cada estudiante pueda ensamblar porciones de ADN de 30.000 a 50.000 pb en un sólo semestre de estudio por lo que pronto contaremos con la primera célula eucariota que funcione con un genoma hecho a medida en el laboratorio. Además, de funcionar esta herramienta podríamos pensar en diseñar genomas a medida, con genes que confieran a las levaduras la capacidad de producir nuevos fármacos y enzimas para la industria o de degradar sustancias tóxicas en el ambiente. Las posibilidades que nos da la biología sintética son muy grandes.

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Referencias:

Annaluru, N., et al. (2014). Total Synthesis of a Functional Designer Eukaryotic Chromosome Science DOI: 10.1126/science.1249252


Pennisi, E. (2014). Building the Ultimate Yeast Genome Science, 343 (6178), 1426-1429 DOI: 10.1126/science.343.6178.1426