El musgo semisintético allana el camino para plantas con genomas de diseño

La biología sintética ya está reescribiendo la vida.

Científicos a finales de 2023 Se detectaron células de levadura. La mitad de su modelo genético fue reemplazada por ADN artificial. Fue un momento decisivo al mismo tiempo. proyecto de 18 años diseñar versiones alternativas de cada cromosoma de levadura. A pesar de los siete cromosomas sintéticos y medio, las células se multiplicaron y prosperaron.

Un nuevo estudio nos lleva a la escalera evolutiva hacia las plantas de diseño.

Para un proyecto llamado SynMoss, un equipo en China ha rediseñado parte de un único cromosoma en una especie de musgo. La planta semisintética resultante creció normalmente y produjo esporas, lo que la convirtió en uno de los primeros seres vivos en tener múltiples células portadoras de un cromosoma parcialmente artificial.

Los cambios típicos en los cromosomas vegetales son relativamente pequeños en comparación con la levadura sintética. Pero este es un paso hacia la reconstrucción completa de los genomas en organismos superiores.

en una entrevista CienciaEl Dr. Tom Ellis, biólogo sintético del Imperial College de Londres, dijo que era "una llamada de atención para las personas que piensan que los genomas sintéticos son sólo para microbios".

renovación de la vida

El esfuerzo por reescribir la vida no es sólo para satisfacer la curiosidad científica.

Trabajar con ADN puede ayudar a desentrañar la historia de la evolución e identificar piezas críticas de ADN que mantienen estables los cromosomas o causan enfermedades. Los experimentos también nos ayudarán a comprender mejor la "materia oscura" del ADN. Secuencias misteriosas en el genoma que no codifican proteínas han desconcertado a los científicos durante mucho tiempo: ¿son útiles o son sólo restos de la evolución?

Los organismos sintéticos también facilitan la ingeniería de seres vivos. Las bacterias y la levadura ya se utilizan, por ejemplo, para elaborar cerveza y producir medicamentos que salvan vidas, como la insulina. Al agregar, reemplazar o eliminar partes del genoma, estas células pueden adquirir nuevas capacidades.

En un estudio recientepor ejemplo, los investigadores han reprogramado bacterias para sintetizar proteínas utilizando componentes básicos de aminoácidos que no se encuentran en la naturaleza. En otro Según el estudio, el equipo convirtió las bacterias en terminadores de plástico que reciclan los desechos plásticos en materiales útiles.

Por impresionante que parezca, las bacterias están formadas por células diferentes a las nuestras: su material genético está flotando, lo que facilita su recombinación.

El El proyecto de la levadura sintética hubo un gran avance. A diferencia de las bacterias, la levadura es una célula eucariota. A esta categoría pertenecen las plantas, los animales y las personas. Nuestro ADN está protegido dentro de una burbuja con forma de nuez llamada núcleo, lo que dificulta que los biólogos sintéticos lo alteren.

Y en cuanto a los eucariotas, las plantas son más difíciles de controlar que la levadura, un organismo unicelular, ya que tienen muchas células que coordinan el crecimiento y la reproducción. Los cambios cromosómicos pueden variar dependiendo de cómo funciona cada célula y a su vez afectan la salud de la planta.

"La síntesis del genoma en organismos multicelulares sigue siendo un territorio inexplorado", escribió el equipo en su artículo.

Lento pero seguro

En lugar de construir un nuevo genoma desde cero, el equipo modificó un genoma de musgo existente.

Este arbusto verde ha sido estudiado extensamente en el laboratorio. Análisis temprano Se descubrió que el genoma del musgo contiene 35.000 genes potenciales, lo cual es sorprendentemente complejo para una planta. Los 26 cromosomas están completamente secuenciados.

Por esta razón, la planta es un "modelo ampliamente utilizado en estudios de biología celular y desarrollo evolutivo", escribió el equipo.

Los genes del musgo se adaptan fácilmente a los cambios ambientales, especialmente aquellos que reparan el daño del ADN causado por la luz solar. En comparación con otras plantas, por ejemplo, otro modelo favorecido por los biólogos es que el musgo tiene la capacidad de tolerar grandes cambios en su ADN y recuperarse más rápidamente. Ambos aspectos son "importantes" a la hora de reescribir el genoma, explicó el equipo.

¿Otro bono? El musgo puede crecer desde una sola célula hasta convertirse en una planta completa. Esta capacidad es un escenario de ensueño para los biólogos sintéticos, porque cambiar genes o cromosomas en una sola célula puede cambiar un organismo completo.

Al igual que nuestros cromosomas, los cromosomas vegetales tienen forma de "X" con dos brazos cruzados. Para este estudio, el equipo decidió reescribir el brazo del cromosoma más corto de las plantas: el cromosoma 18. Todavía era un proyecto gigantesco. Anteriormente, el reemplazo más grande era sólo de unas 5.000 letras de ADN; el nuevo estudio requirió reemplazar más de 68.000 letras.

"Reemplazar secuencias de ADN naturales con grandes fragmentos sintéticos rediseñados presentó un desafío técnico importante", escribió el equipo.

Siguieron una estrategia de dividir y conquistar. Primero construyeron piezas de ADN sintético de tamaño mediano y las combinaron en una única "megapieza" de ADN de un brazo cromosómico.

Hubo varios cambios significativos en el cromosoma recién creado. Carecía de transposones o "genes de salto". Estos bloques de ADN se mueven por el genoma y los científicos aún debaten si son esenciales para las funciones biológicas normales o si contribuyen a la enfermedad. El equipo también añadió "etiquetas" de ADN al cromosoma, marcándolo como sintético, e hizo cambios en la forma en que regula la producción de ciertas proteínas.

En general, los cambios redujeron el tamaño de los cromosomas en aproximadamente un 56 por ciento. Después de insertar el cromosoma de diseño en células de musgo, el equipo las cultivó hasta convertirlas en plantas adultas.

Una flor semisintética

Incluso con un genoma muy editado, el musgo sintético era sorprendentemente normal. Las plantas crecieron fácilmente hasta convertirse en arbustos frondosos con varias ramas y eventualmente produjeron esporas. Todas las estructuras reproductivas eran similares a las encontradas en la naturaleza, lo que indica que las plantas semisintéticas tenían un ciclo de vida normal y podían reproducirse.

Las plantas también han conservado su tolerancia a ambientes altamente salinos, una adaptación beneficiosa que también se observa en sus contrapartes naturales.

Pero el musgo sintético tenía características epigenéticas inesperadas. La epigenética es la ciencia de cómo las células activan o desactivan los genes. La parte sintética del cromosoma tenía un perfil epigenético diferente al del musgo natural, con más genes activados de lo habitual. Según el grupo, esto puede ser perjudicial.

El musgo también ofreció posibles conocimientos sobre la "materia oscura" del ADN, incluidos los transposones. La eliminación de estos genes saltarines no dañó las plantas parcialmente sintéticas, lo que puede no ser importante para su salud.

Más práctico, los resultados pueden ser aumentar los esfuerzos biotecnológicos utilizar musgo para producir una amplia gama de proteínas terapéuticas, incluidas aquellas que combaten enfermedades cardíacas, curan heridas o tratan accidentes cerebrovasculares. Moss ya se utiliza para sintetizar medicamentos. Un genoma semidiseñado puede alterar su metabolismo, aumentar la resistencia a las infecciones y aumentar la productividad.

El siguiente paso es sustituir el brazo corto del cromosoma 18 por secuencias completamente sintéticas. Su intención es crear un genoma sintético de musgo en un plazo de diez años.

Éste es un objetivo ambicioso. En comparación con el genoma de la levadura, que requirió 18 años y una colaboración global para reescribir la mitad, el genoma del musgo es 40 veces más grande. Pero con tecnologías de síntesis y lectura de ADN cada vez más eficientes y económicas, el objetivo está lejos de ser alcanzable.

Técnicas similares han inspirado otros proyectos para reordenar cromosomas en organismos distintos de bacterias y levaduras, desde plantas hasta animales.

Credito de imagen: Pírex / Wikimedia Commons