Científicos crean la primera célula que transmite bases de ADN artificiales

Un grupo de científicos ha diseñado una bacteria cuyo material genético incluye un par adicional de “letras ” ADN o bases, que no se encuentra en la naturaleza. Las células de la bacteria pueden replicar las bases artificiales  de modo más o menos normal, siempre y cuando se suministren los bloques moleculares y mientras estos suceda.

“La vida en la Tierra en toda su diversidad es codificada por dos pares de bases de ADN, AT y CG, y lo que hemos hecho es un organismo que contiene de manera estable un tercer par, no natural de bases”, dijo el Profesor Asociado de TSRI Floyd E. Romesberg, quien dirigió el equipo de investigación. “Esto demuestra que son posibles otras soluciones para el almacenamiento de información y, por supuesto, nos acerca a una biología de ADN ampliada que tendrá muchas aplicaciones interesantes – desde nuevos medicamentos hasta nuevas clases de la nanotecnología”.Romesberg y su laboratorio han estado trabajando desde finales de la década de 1990 para encontrar los pares de moléculas que podrían servir como nuevas bases funcionales de ADN y, en principio, podrían codificarse para crear proteínas y organismos que nunca han existido antes.

La tarea no ha sido sencilla. Cualquier nuevo par de bases de ADN funcional tendría que unirse con una afinidad comparable a la de la nucleósido natural de pares de bases adenina-timina y citosina-guanina. Esas bases nuevas también tendrían que alinearse de forma estable al lado de las bases naturales en un tramo de la cremallera de ADN. Y serían necesarias para descomprimirse y volverse a cerrarse suavemente cuando trabajaran con enzimas polimerasas naturales durante la replicación del ADNy la transcripción en ARN . Y de alguna manera, estos intrusos nucleósidos tendrían que evitar ser atacados y eliminados por los mecanismos de reparación del ADN naturales.

A pesar de estos retos, en 2008 Romesberg y sus colegas habían dado un gran paso hacia ese objetivo; en un estudio publicado ese año, se identificaron grupos de moléculas de nucleósido que pueden conectarse a través de una doble cadena de ADN casi tan perfectamente como los pares de bases naturales y demostraron que el ADN que contiene estos pares de bases no naturales puede replicarse en presencia de las enzimas adecuadas. En un estudio que salió al año siguiente, los investigadores fueron capaces de encontrar enzimas que transcriben el ADN semi-sintético en el ARN.

Pero este trabajo se llevó a cabo en el entorno simplificado de un tubo de ensayo. “Estos pares de bases no naturales han funcionado muy bien in vitro, pero el gran reto ha sido conseguir que también lo haga en el entorno mucho más complejo de una célula viva,” dijo Denis A. Malyshev, miembro del laboratorio Romesberg quien fue el autor principal de el nuevo informe.

En el nuevo estudio, el equipo sintetizó un tramo de ADN circular conocido como plásmido y lo insertó en células de la bacteria común E. coli. El ADN plásmido contenía pares de bases naturales de AT y CG junto con el mejor comportamiento de bases antinatural que el laboratorio de Romesberg había descubierto; dos moléculas conocidas como d5SICS y DNAM. El objetivo era conseguir que las células de E. coli pudieran replicar este ADN semi-sintético lo más normalmente posible.

El mayor obstáculo puede ser tranquilizador para los que teman la creación incontrolada de una nueva forma de vida: los bloques de construcción moleculares para d5SICS y DNAM no están de modo natural en las células. Por lo tanto, para obtener la E. coli que pueda replicar el ADN que contiene estas bases no naturales, los investigadores tuvieron que suministrar los bloques moleculares artificialmente, mediante su inclusión en la solución fluida fuera de la célula. Entonces, para obtener los bloques de construcción, conocidos como nucleósidos trifosfato, en las células, tenían que encontrar moléculas transportadoras especiales que hicieran el trabajo.

Los investigadores finalmente fueron capaces de encontrar un transportador del trifosfato en una especie de microalgas, que era lo suficientemente bueno para la importación de los trifosfatos no naturales. “Ese fue un gran avance para nosotros – un avance que permite el resto”, dijo Malyshev.

A pesar de que la finalización del proyecto llevó otro año, no hubo obstáculos más importantes. El equipo encontró, para su sorpresa, que el plásmido semisintético se replicaba con una velocidad y una precisión razonable y no obstaculiza  el crecimiento de las células de E. coli, y tampoco mostraba signos de perder sus pares de bases no naturales por los mecanismos de reparación del ADN.

“Cuando paramos el flujo de los bloques de construcción de  trifosfato no naturales en las células, la sustitución de d5SICS-DNAM con pares de bases naturales estaba muy bien correlacionada con la propia réplica de la célula – y no parece que haya otros factores para cortar la base natural de pares de ADN “, dijo Malyshev. “Una cosa importante a tener en cuenta es que estos dos descubrimientos también proporcionan control sobre el sistema. Nuestras nuevas bases sólo pueden entrar en juego si encendemos la proteína base transportadora. Sin ella o cuando no se proporcionan nuevas bases, la celular vuelve a las habituales A, T, G, C, y d5SICS y DNAM desaparecen del genoma “.

El siguiente paso será demostrar la transcripción en células del nuevo alfabeto-DNA ampliado en el ARN que alimenta la maquinaria productora de proteínas de las células. “En principio, podríamos codificar nuevas proteínas a base de nuevos aminoácidos no naturales, lo que nos daría más poder para adaptar proteínas terapéuticas y de diagnóstico y reactivos de laboratorio para haber funciones deseadas. Otras aplicaciones, tales como los nanomateriales, también son posibles.”, dice Romesberg. 

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