Nuevos conocimientos arrojan luz sobre los mecanismos que controlan los procesos vitales más básicos.

Una ilustración de la celda sintética simple JCVI-syn3A © Emily Pelletier

Hace cinco años, los científicos crearon un organismo sintético unicelular que, con solo 473 genes, era la célula viva más simple jamás conocida. Sin embargo, este organismo parecido a una bacteria se comportó de manera extraña a medida que crecía y se dividía, produciendo células de formas y tamaños tremendamente diferentes.

Ahora los científicos han identificado siete genes que pueden agregarse para domesticar la naturaleza rebelde de las células, haciendo que se dividan perfectamente en esferas uniformes. Este logro fue descrito en la revista. célula.

La identificación de estos genes es un paso importante en el desarrollo de células sintéticas que hacen cosas útiles. Estas células podrían funcionar como pequeñas fábricas de producción de medicamentos, alimentos y combustible. Reconocer enfermedades y producir medicamentos para tratarlas mientras están en el cuerpo; y actúan como pequeñas computadoras.

Para diseñar y construir una celda que haga exactamente lo que usted desea, es útil tener una lista de las partes esenciales y cómo encajan.

«Queremos comprender las reglas básicas de diseño de la vida», dijo Elizabeth Strychalski, coautora del estudio y directora del Grupo de Ingeniería Celular del NIST. «Si esta célula puede ayudarnos a descubrir y comprender estas reglas, entonces estaremos en camino a las carreras».

En 2010, los científicos del JCVI construyeron la primera célula con un genoma sintético. No reconstruiste completamente esta celda desde cero. En cambio, comenzaron con células de un tipo muy simple de bacteria llamada micoplasma. Destruyeron el ADN de estas células y lo reemplazaron con ADN que fue diseñado en una computadora y sintetizado en un laboratorio. Este fue el primer organismo en la historia de la vida en la tierra en tener un genoma completamente sintético. Lo llamaron JCVI-syn1.0.

Desde entonces, los científicos han estado trabajando para reducir este organismo a sus componentes genéticos mínimos. La celda súper simple que crearon hace cinco años llamada JCVI-syn3.0 era quizás demasiado minimalista. Los investigadores ahora han agregado 19 genes a esta célula, incluidos los siete que se requieren para la división celular normal para crear la nueva variante JCVI-syn3A. Esta variante tiene menos de 500 genes. Para poner este número en perspectiva: la bacteria E. coli que vive en sus intestinos tiene alrededor de 4.000 genes. Una célula humana tiene alrededor de 30.000.

La identificación de estos siete genes adicionales requirió años de arduos esfuerzos por parte del grupo de biología sintética JCVI, coautor de John Glass. La coautora principal y científica del JCVI, Lijie Sun, construyó una docena de cepas variantes mediante la adición y eliminación sistemática de genes. Usted y los otros investigadores observarían cómo estos cambios genéticos afectan el crecimiento y la división celular.

El trabajo del NIST era medir los cambios resultantes bajo un microscopio. Esto fue un desafío porque las células tenían que estar vivas para su observación. Usar microscopios potentes para observar células muertas es relativamente fácil. Obtener imágenes de células vivas es mucho más difícil.

Fue especialmente difícil mantener estas células en su lugar bajo un microscopio porque son muy pequeñas y delicadas. Cien o más cabrían en una sola bacteria E. coli. Pequeñas fuerzas pueden destrozarlos.

Para resolver este problema, los coautores de Strychalski y del MIT, James Pelletier, Andreas Mershin y Neil Gershenfeld, desarrollaron un quimiostato de microfluidos, una especie de mini acuario, en el que las células podían alimentarse y mantenerse felices bajo un microscopio óptico. El resultado fue un video stop-motion que muestra el crecimiento y la división de las células sintéticas.

Un video muestra celdas JCVI-syn3.0 que se crearon hace cinco años y vienen en diferentes formas y tamaños. Algunas de las células forman filamentos. Otros no parecen separarse por completo y alinearse como perlas en una cuerda. A pesar de la diversidad, todas las células de este video son genéticamente idénticas.

Otro video muestra las nuevas células JCVI-Syn3A dividiéndose en células de forma y tamaño más uniformes.

Con estos videos y otros similares, los investigadores pudieron observar cómo sus manipulaciones genéticas afectaron el crecimiento y la división celular. Si la eliminación de un gen interrumpía el proceso normal, lo dejaban a un lado y probaban con otro.

«Nuestro objetivo es conocer la función de cada gen para que podamos desarrollar un modelo completo de cómo funciona una célula», dijo Pelletier.

Sin embargo, este objetivo aún no se ha logrado. De los siete genes agregados a la división celular normal en este organismo, los científicos saben lo que hacen solo dos de ellos. Aún no se conocen los roles que desempeñan los otros cinco en la división celular.

«La vida sigue siendo una caja negra», dijo Strychalski. Pero con esta célula sintética simplificada, los científicos pueden ver bien lo que sucede en el interior.

Referencia: James F. Pelletier et al., Requisitos genéticos para la división celular en una célula genómicamente mínima, Cell (2021). DOI: 10.1016 / j.cell.2021.03.008

Comunicado de prensa del NIST

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