Generar los genomas y codificación de nuevas capacidades en la DNA artificial

Un nuevo estudio que se presentará en la asociación americana para el adelanto de la ciencia (AAAS) denunciará en febrero de 2020 sobre la generación del primer genoma bacteriano artificial a gran escala creado del mundo usando un algoritmo de diseño digital junto con la síntesis de los bloques huecos de la DNA. Este genoma toma la forma por la substancia química bastante que síntesis patrón-basada. La investigación se publica en los procedimientos del gorrón de la National Academy of Sciences.

Batido Christen, profesor adjunto de la biología de sistemas experimentales y el Dr. Matías Christen en el laboratorio de Christen en ETH Zurich. Haber de imagen: ETH Zurich/Agnieszka Wormus
Batido Christen, profesor adjunto de la biología de sistemas experimentales y el Dr. Matías Christen en el laboratorio de Christen en ETH Zurich. Haber de imagen: ETH Zurich/Agnieszka Wormus

Sintetizando los genomas químicamente

En el campo de la biología sintetizada, la genómica sintetizada ha tomado un asiento delantero recientemente. Sin embargo, el genoma del virus de la polio y el virus del bacteriófago phiX174 fueron sintetizados químicamente, sin un patrón complementario de la DNA o del ARN, al inicio de este siglo.

La revolución digital ha afectado a biología en su nivel más fundamental, es decir, la DNA que ordena, que ayuda a biólogos sintetizados a leer y a escribir, e incluso a la reescritura, moléculas de la DNA para diseñar microorganismos útiles con la ayuda de la computador diseña.

La creación acertada de genomas virales de la talla moderada ha llevado a la síntesis de los genomas de organismos más complejos, por ejemplo de una cierta especie del micoplasma. De algunos kilobases, la síntesis genomic saltó a los megabases, que hicieron mucho más fácil producir mejores estrategias para la síntesis química de la DNA así como transportar el genoma. Por otra parte, una única mutación no sólo deletreó absurdo pero previno el lanzamiento de la transcripción de la DNA.

Construcción de una versión media magra del genoma

Las personas detrás de la síntesis anterior del genoma del micoplasma entonces construyeron una versión disminuida de una de estas moléculas de la DNA, incluyendo solamente genes esenciales. Por otra parte, un grupo internacional de 21 instituciones ahora está sintetizando el genoma de la levadura común, Saccharomyces Cerevisiae de 16 cromosomas. Había revestido con éxito el cerca de 40% del conjunto en 2018.

Los proyectistas se centraron principalmente en la eliminación de series que relanzaban de nucléico ácido-como los genes para el tRNA, los intrones (series noncoding de intervención), y los transposons de modo que pudieran reemplazar genes homólogos entre las especies más exacto. También incorporaron los nuevos sitios del loxP en donde la inserción exacta y controlada de genes en los sitios específicos llega a ser posible. Apuntaron reducir la talla del genoma paso a paso una vez que los cromosomas de la levadura fueron sintetizados totalmente. Esto era necesario en aquel momento puesto que el editor potente del gen de CRISPR no estaba todavía disponible en aquel momento.

Codones de la redundancia y de la reescritura

Es notable que la clave genética ofrece las oportunidades para dirigir codones en el genoma debido a la redundancia, eso es porque los codones múltiples codifican el mismo aminoácido. Esto se ha explotado para reescribir codones a través de un genoma entero en virus y algunas bacterias y levadura. Esta experimentación trajo a la luz la no-viabilidad de reescribir la clave usando codones sinónimos a veces, especialmente cuando estaba cerca del 5' o de 3' los finales de las series que cifraron para las proteínas.

Más recientemente, los magazines del gen, o las unidades completas independientes del gen, se han reescrito con el repuesto de genes en el genoma entero, vía la síntesis de la DNA a partir de cero. Con todo actualmente, sigue habiendo más trabajo ser hecho, con muchos casos donde los genes con éxito sintetizados siguen siendo no funcionales. Puede ser que algunas señales para la transcripción o la traslación estén embutidas en los extremos de los exones, o que no sabemos realmente dónde un gen comienza en algunos casos.

Éste era el motivo para el estudio actual, que tentativa reescribir el genoma a gran escala, usando codones sinónimos, conjuntamente con encontrar las causas de desvíos en el genoma de una manera sistemática. La necesidad está para “una aproximación ampliamente aplicable de la diagnosis del desvío de la alto-producción,” por el que la reescritura del genoma entero puede ser evaluada.

El proyecto

Los investigadores intentaron sintetizar la versión disminuida o desnuda del genoma del crescentus de agua dulce -2,0 (C. eth-2.0) de Caulobacter de la bacteria, de un organismo muy productivo y responsivo del modelo del ciclo celular. El transcriptome de esta bacteria, los ribosomas, y muchas otras mediciones están ya disponibles como modelo detallado del genoma.

El objetivo era desarrollar los ninguno-volantes se acerca a la técnica de la diseño-prueba-estructura que ayudará a producir un genoma modificado para requisitos particulares que incorpore las funciones esenciales de la célula y poco. La base de esta aproximación es construir este genoma químicamente de modo que la información en el genoma pudiera ser analizada para lo que nos informa sobre genes esenciales.

El procedimiento

El primer paso era extraer las piezas de la DNA necesarias de la bacteria nativa y ensamblarlas para formar un genoma digital, guardando la organización y la orientación de los genes intactos. También incluyeron algunos genes del marcador, uno mismo-replegando series, y una serie del vector de lanzadera que permitiría la réplica inferior apretada de la copia en esta bacteria en el origen de la réplica.

Se ejecutaron en una barricada aquí cuando encontraron que muchos de los bloques huecos de la DNA no eran disponibles en el comercio debido a apremios en síntesis. Entonces decidían a probar su teoría que el uso de codones sinónimos haría más fácil sintetizar la serie químicamente pero todavía mantener las funciones biológicas sin cambios. Por consiguiente, crearon un diseño optimizado basado en el anterior, con sobre 10.000 cambios en las bases de la DNA, y quitaron con éxito casi 5700 apremios de la síntesis.

También quisieron probar su teoría que la síntesis química permitiría que descubrieran cómo el genoma se anota exacto y que determinaran funciones incorporadas. , Por lo tanto, incluyeron sobre 100.000 substituciones bajas dentro de los exones. Así, reemplazaron el cerca de 56% de todos los codones por sus sinónimos.

Esencialmente, la serie de aminoácido seguía siendo lo mismo. No obstante, el resto de las capas de la regla genética, incluyendo marcos de lectura alternativos y otros mandos ocultados dentro de los exones, fueron reducidas al mínimo. De hecho, a partir el 77% a los 95% de estos elementos fueron quitados. Éste era permitir la identificación de los genes que necesitan más que la serie de aminoácido ser especificados para trabajar correctamente, viendo cuáles de los genes reescritos siguen siendo funcionales. Los genes no funcionales se deben entonces reparar, para rendir eventual una célula totalmente artificial con un complemento completo de funciones esenciales.

Los resultados

Encontraron que sobre el 90% de la enzima-codificación los genes conservaron funciones. Sobre 432 genes, total, seguidos siendo funcionales. Cerca de 100 genes vencían no funcionales, probablemente a las anotaciones incorrectas o a la presencia de mandos genéticos desconocidos, o porque no cifran para la proteína en absoluto. Esta aproximación es, por lo tanto, útil para probar la exactitud de la anotación de un genoma.

Cuatro de estos genes fueron reparados de una manera apuntada, llevando a la identificación de un elemento esencial contracorriente desde uno de ellos. En algunos de ellos, noncoding mando dentro de los exones, implicando estos genes había sido anotado incorrecto anterior.

Las implicaciones

La combinación de estas conclusión muestra que mientras que los científicos todavía no han producido una célula viva, han probado y encontró la aproximación prometedora para producir genes del proyectista. Promete una capacidad altamente flexible del diseño con la manufactura química barata, segura. El reto más grande, como siempre, es no técnico, sino las entregas éticas y sociales que pueden presentarse si se emplean mal.

Journal reference:

Chemical synthesis rewriting of a bacterial genome to achieve design flexibility and biological functionality Jonathan E. Venetz, Luca Del Medico, Alexander Wölfle, Philipp Schächle, Yves Bucher, Donat Appert, Flavia Tschan, Carlos E. Flores-Tinoco, Mariëlle van Kooten, Rym Guennoun, Samuel Deutsch, Matthias Christen, Beat Christen Proceedings of the National Academy of Sciences Apr 2019, 116 (16) 8070-8079; DOI: 10.1073/pnas.1818259116

Dr. Liji Thomas

Written by

Dr. Liji Thomas

Dr. Liji Thomas is an OB-GYN, who graduated from the Government Medical College, University of Calicut, Kerala, in 2001. Liji practiced as a full-time consultant in obstetrics/gynecology in a private hospital for a few years following her graduation. She has counseled hundreds of patients facing issues from pregnancy-related problems and infertility, and has been in charge of over 2,000 deliveries, striving always to achieve a normal delivery rather than operative.

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