La levadura sobrevive con un genoma parcialmente sintético

Publicado online el 14 de septiembre de 2011 | Nature | doi:10.1038/news.2011.537

La levadura sobrevive con un genoma parcialmente sintético

El estudio abre el camino para la ingeniería genético a gran escala de células complejas.
Roberta Kwok

Los investigadores han dotado a las células de levadura con cromosomas semisintéticos. Es la primera vez que se logra en organismos eucariotas o con células complejas, y marca un paso hacia la ingeniería genómica a gran escala en estas células.

El equipo ha publicado sus resultados en Nature1. El estudio sugiere que las cepas de levadura modificadas genéticamente son tan saludables como la levadura natural.

“Parece increíblemente estable –declaró Andy Ellington, bioquímico de la Universidad de Texas en Austin, quien no participó en el trabajo–. Por lo menos algunos llegamos a pensar que no sobreviviría o que mutaría muy rápidamente.”

A estas cepas diseñadas genéticamente también se les ha incluido un sistema de codificación, que elimina y mezcla genes aleatorios a demanda; esta característica podría ser útil para desarrollar levaduras optimizadas para la obtención de combustible, medicamentos u otros productos químicos. El objetivo final del equipo es sintetizar el genoma completo de la levadura.

Previamente los científicos habían construido y diseñado genomas completos, pero en general en organismos más simples, como las bacterias.

El mayor genoma sintetizado hasta el momento es el de la bacteria Mycoplasma mycoides, cuyo millón de pares de bases aproximadamente era en su mayoría una réplica de la secuencia natural, tal y como se publicó el año pasado2. Los científicos también han hecho cambios a escala genómica de los virus3, eliminando elementos genéticos innecesarios4 y sustituyendo secuencias completas de genomas bacterianos5.

Levadura reprogramada
En el último estudio, Jef Boeke, biólogo de levaduras de la Facultad de Medicina de la Universidad Johns Hopkins en Baltimore, Maryland, y sus colegas abordaron dos segmentos cromosómicos que en conjunto representan alrededor del 1% del genoma de 12 millones de pares de bases de la levadura Saccharomyces cerevisiae. Con ayuda de un software específico, los investigadores diseñaron los segmentos sintéticos, incorporando varios tipos de cambios.

Estos cambios incluyeron la eliminación de secuencias repetitivas que podrían desestabilizar el genoma y la adición de etiquetas para distinguir los segmentos sintéticos de los naturales. Para crear el sistema de codificación genética, el equipo insertó secuencias cortas que actúan como sitios de unión de una enzima específica, la cual, si se activa, puede eliminar o reorganizar los genes. En general, los investigadores cambiaron el 17% de la secuencia de estos segmentos objetivo.

Los segmentos editados se sintetizaron e introdujeron en las células de levadura, sustituyendo los segmentos naturales correspondientes. Las pruebas mostraron que las cepas semisintéticas resultantes tenían tasas de crecimiento, apariencia de colonias y expresión génica normales. Cuando los investigadores activaron el sistema de codificación mediante la enzima necesaria, fueron capaces de generar cepas mutantes con tasas de crecimiento diferentes, sensibilidad a fármacos, sensibilidad a la temperatura, el uso de fuentes de carbono y las respuestas al estrés.

Escalado
Boeke afirmó que cuando se sintetice más genoma de la levadura, los investigadores serán capaces de utilizar el sistema para estudiar la evolución y la especiación. Por ejemplo, podrían eliminar genes para determinar cómo gran parte del genoma se necesita para la supervivencia o ver la cantidad de codificación genómica necesaria para producir una nueva especie.

Ham Smith, biólogo molecular del Instituto J. Craig Venter de San Diego, California, que participó en la síntesis del genoma de M. mycoides, declaró que el trabajo de Boeke es “otro ejemplo notable de cómo se puede utilizar la biología sintética para reescribir secuencias cromosómicas a una escala considerable”.

Sin embargo, Smith señaló que es poco probable que las células sobrevivan si el sistema de codificación se extiende a partes sustancialmente más grandes del genoma. Boeke aseguró que este problema podría resolverse reduciendo el tiempo durante el que se activa el sistema de codificación y debilitando la expresión de la enzima.

El equipo ha reclutado estudiantes universitarios de Baltimore para construir el resto del genoma de la levadura. Estudiantes e investigadores de China también podrían sumarse a esfuerzo, afirmó Boeke, aunque llevará varios años construir el genoma sintético completo. Boeke estima que, hasta el momento, el equipo ha sintetizado fragmentos de ADN de aproximadamente el 10% del genoma y sólo el 2% han sido probados en la levadura.