Si por algo se caracterizan los seres vivos es por su alto grado de complejidad. Incluso en una bacteria simple, ocurren millones de reacciones químicas por segundo, resultado de las instrucciones escritas en su material genético. Las verdaderas fábricas celulares transcriben y traducen las pautas del genoma en proteínas.que, como el disco duro de una computadora, almacena la información para construir un ser vivo. Algunas de estas proteínas son enzimas que se encargan de incorporar compuestos del medio ambiente, degradarlos y, a su vez, construir nuevos componentes celulares, como el ADNARN y más proteínas; y realizar funciones básicas para la vida, como la respiración celular y la fotosíntesis.
Como resultado de la simbiosis entre diferentes bacterias, la organismos eucariotas. Con ellos, el volumen celular aumenta unas 10.000 veces y aparecen mayores niveles de complejidad. hay un ligero aumento en el número de genes –de unos 5.000 en las bacterias a unos 13.000 en la mosca Drosophila, utilizada como organismo modelo en biología, y unos 20.000 en los seres humanos. Paralelamente, se desarrollan intrincados mecanismos de regulación genética que funcionan como interruptores moleculares, activando y desactivando la expresión genética. Como consecuencia de esta jerarquía genéticaEn organismos multicelulares como los humanos se pueden formar hasta doscientos tipos diferentes de células, cada una con una función específica.
Dado que todas las formas de vida conocidas se basan en el mismo tipo de moléculas, es lógico que tengan un único origen, un ancestro común que llamado LUCA. Prueba de ello es que podemos intercambiar genes de una especie a otra y éstas siguen produciendo proteínas idénticas a las del organismo donante.
De esta manera, un nuevo gen que surge en un individuo y proporciona una nueva función útil (una ventaja evolutiva) puede ser transmitido a otras especiessin necesidad de que surja espontáneamente por mutación en esas especies. Por lo tanto, a partir de los genomas de organismos existentes, podríamos identificar, en teoría, un número común y necesariamente reducido de genes que permitirían deducir cuál es el contenido mínimo que debe tener un genoma artificial.
El primer intento se llevó a cabo a mediados de los años 90, cuando comenzamos a leer –secuencia– genomas bacterianos. Así, fue posible identificar el conjunto de genes compartidos entre los diferentes grupos de bacterias. Otros equipos de investigación optaron por seleccionar una bacteria de vida libre como Mycoplasma y aislar los genes esenciales tras eliminar el resto de su genoma en el laboratorio. En ocasiones, también basta con observar los casos de genomas mínimos existentes en la naturaleza.
Por ejemplo, los pulgones que infestan nuestras plantas. Contienen bacterias dentro de células especializadas en una relación de simbiosis obligada.. El insecto se alimenta de la savia de la planta, que es pobre en compuestos nitrogenados, como los aminoácidos, que le aportan las bacterias. Endosimbionte de Buchneraa cambio de vivir en un entorno protegido y estable. Se estima que el 20% de todos especies de insectos especies conocidas (cucarachas, saltamontes, hormigas carpinteras) contienen bacterias en endosimbiosis (una asociación en la que un organismo vive dentro de otro) para complementar su limitada dieta. En el entorno seguro que proporciona el insecto, la bacteria ha evolucionado a lo largo de millones de años, reduciendo al mínimo el tamaño de su genoma.
Así, el estudio de organismos simples, que tienen encogió su genoma de forma natural o porque se han eliminado genes no esenciales en el laboratorio, permitiría saber cuántos y cuáles genes son esenciales para mantener un ser vivo con organización celular. Una vez que tengamos dicho mapa de instrucciones, podríamos llegar a deducir tu metabolismoes decir, el conjunto de reacciones bioquímicas que le permiten alimentarse, crecer y dividirse.
Los resultados de la investigación demostraron que, en la naturaleza, existen muchos genomas mínimostantos como entornos hay en los que viven. Los genes que son esenciales en un entorno son completamente prescindibles en otro, lo que añade un factor adicional a considerar.
Una vez que hayamos identificado el número mínimo de genes esenciales de un organismo, el siguiente paso sería su síntesis artificial letra a letra. Entre 2002 y 2003, varios grupos de trabajo lograron cultivar virus de unos 5.000 pares de bases in vitro (pb). Y, en 2008, el equipo de Craig Venter logró, por primera vez, sintetizar un genoma celular de aproximadamente 580.000 pb: el cromosoma de la bacteria de vida libre. micoplasma genitalque habían secuenciado años antes.
En 2010 se alcanzó un hito aún más importante: reproducir un cromosoma de alrededor de un millón de pb a partir de la bacteria. Micoplasma mycoides e insertarlo en una célula receptora de otra especie, previamente desprovista de su material genético. Inmediatamente, el genoma sintetizado artificialmente tomó el control de la célula receptoracomo se esperaba.
El siguiente logro se produjo en 2014, cuando, después de siete años de trabajo y con la participación de numerosos estudiantes, el equipo de Libros Jeff reprodujo y ensambló una versión reducida del cromosoma 3 de levadura Saccharomyces cerevisiae. La elección de este microorganismo eucariota –más complejo que las bacterias con las que trabajó Venter– no fue arbitraria. Desde la antigüedad, la humanidad lo ha utilizado para elaborar pan y cerveza, y también se utiliza en biotecnología para la producción de proteínas de interés comercial. Las levaduras que portan este cromosoma sintético, SynIII, del que se han eliminado secuencias no codificantes de proteínas y regiones repetidas de ADN, son completamente normales y se comportan como levaduras salvajes.
Hoy, como vemos, tenemos el desarrollo tecnológico para reescribir genomas que ya existen en la naturaleza e introducirlos en otros organismos. ¿Significa esto que la vida ha sido creada en el laboratorio? No precisamente. Hasta ahora, lo que se ha conseguido son copias, y ni siquiera de una célulasino a partir de genes que han sido ensamblados tomando como referencia el mapa genético original.
Pero ¿cuál es el propósito de estos estudios? Hasta ahora, las técnicas de biología molecular e ingeniería genética han permitido identificar los componentes que intervienen en procesos básicos como Duplicación y reparación del ADN, síntesis de proteínas o ciclo celular.. Se ha abierto el camino para comprender los mecanismos moleculares de muchas enfermedades y para su diagnóstico genético, y se ha avanzado en la medicina personalizada.
Asimismo, la biotecnología ha supuesto una mejora sin precedentes en la calidad de vida, gracias a la producción de proteínas como la insulina. utilizado diariamente por millones de personas diabeticasvacunas, antibióticos, antivirales y un largo etcétera. La agricultura también se ha beneficiado, ya que al introducir en las plantas de cultivo genes que ya existen en otros organismos, se generan variedades resistentes a parásitos y plagas.
Sin embargo, en algunos casos, la producción de compuestos es más laboriosa que la síntesis de insulina. Así, la artemisinina, Medicamento con estructura química compleja utilizado contra la malaria.Se ha obtenido clásicamente de su fuente natural en plantas o mediante síntesis química. Investigadores de la Universidad de California en Berkeley han conseguido rediseñar toda la ruta de biosíntesis de la artemisinina en S. cerevisiae, doce genes en total, de tres especies diferentes. De esta forma, hoy en día se puede obtener a partir de un azúcar simple como la glucosa de una forma más rápida y económica.
La síntesis de un genoma mínimo puede servir como andamio molecular sobre el cual introducir nuevos circuitos biológicos para generar un microorganismo capaz de producir antibióticos, biomateriales y biocombustibleso degradar compuestos tóxicos de los vertidos. Con ello ha nacido una nueva disciplina, la biología sintética, cuyo objetivo es diseñar y construir sistemas biológicos. De momento sólo se ha llegado al diseño óptimo de rutas metabólicas, ya que todavía no sabemos lo suficiente sobre la biología de los organismos para lograr ese objetivo final.
Gran parte de la información necesaria para obtener un organismo tan diferente como un animal, una planta o una bacteria está definida por su genoma. Desde el origen de la vida, para ello, fue seleccionada una molécula de ADN con un alfabeto genético de cuatro letras unidas en pares: adenina (A)-timina (T) y citosina (C)-guanina (G).
Sin embargo, a mediados de 2014, Floyd Romesbergdel Instituto de Investigación Scripps en La Jolla, California, anunció lo más parecido a una molécula orgánica artificial logrado hasta ahora. ¡Había añadido un nuevo par de letras al alfabeto genético utilizado por Escherichia coli! Estas nuevas letras no fueron consideradas extrañas por el sistema de reparación de daños en el ADN de esta bacteria y su replicación se realizó con normalidad. Sin embargo, su El metabolismo era incapaz de producir los dos nucleótidos artificiales por sí solo.. Debían ser suministrados en el medio de cultivo, lo que constituía una estricta medida de bioseguridad, para evitar su propagación fuera del laboratorio.
El interés inmediato de esta investigación es producir proteínas terapéuticas que contengan aminoácidos no naturales para acceder a su objetivo más fácilmente. Si el ADN es capaz de incorporar nuevas bases, ¿por qué durante la evolución se seleccionó una molécula de ADN con sólo cuatro nucleótidos y que se ha mantenido sin cambios desde el inicio de la vida? Si las misiones ExoMars o Mars2020 encontraran señales de vida en Marte, ¿se basaría en una molécula de ADN tal como la conocemos en la Tierra? La biología sintética nos dice que podemos encontrar formas alternativas.
Es probable que las células primitivas estuvieran formadas por una Molécula que transporta información genética.una membrana lipídica que les aislaría del entorno y un conjunto de proteínas que les permitiría obtener energía del exterior. Así, las aspiraciones de lograr un sistema vivo artificial deben contener tres componentes: genoma, membrana y metabolismo.
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