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Steven A. Benner

Steven Albert Benner (nacido el 23 de octubre de 1954) es un químico estadounidense . Ha sido profesor en la Universidad de Harvard , ETH Zurich y, más recientemente, en la Universidad de Florida , donde fue profesor distinguido de química VT & Louise Jackson. En 2005, fundó el Instituto Westheimer de Ciencia y Tecnología (TWIST) y la Fundación para la Evolución Molecular Aplicada. Benner también ha fundado las empresas EraGen Biosciences y Firebird BioMolecular Sciences LLC.

Benner y sus colegas fueron los primeros en sintetizar un gen, lo que dio inicio al campo de la biología sintética . Fue fundamental en el establecimiento del campo de la paleogenética . Está interesado en el origen de la vida y las condiciones y procesos químicos necesarios para producir ARN . Benner ha trabajado con la NASA para desarrollar detectores de materiales genéticos alienígenas, utilizando la definición de vida desarrollada por el Grupo de Trabajo de Disciplina de Exobiología de la NASA en 1992, "un sistema químico autosuficiente capaz de evolución darwiniana". [2] [3] [4] [5]

Educación

Benner asistió a la Universidad de Yale , donde recibió su licenciatura y maestría en biofísica molecular y bioquímica en 1976. Luego fue a la Universidad de Harvard , donde recibió su doctorado en química en 1979. [6] Trabajó bajo la supervisión de Robert Burns Woodward , completando su trabajo de tesis con Frank Westheimer después de la muerte de Woodward. Su tesis doctoral fue Estereoquímica absoluta de la acetoacetato descarboxilasa, la betaína-homocisteína transmetilasa y la 3-hidroxibutirato deshidrogenasa. [7]

Carrera

Después de graduarse de la Universidad de Harvard , Benner se convirtió en miembro de Harvard y recibió el Premio Dreyfus para Jóvenes Profesores en 1982. Fue profesor asistente en el Departamento de Química de la Universidad de Harvard de 1982 a 1986. [8]

En 1986, Benner se trasladó a la ETH de Zúrich , el Instituto Federal Suizo de Tecnología de Zúrich. [9] Ocupó los puestos de profesor asociado de química bioorgánica de 1986 a 1993 y profesor de química bioorgánica de 1993 a 1996. [8]

En 1996 [10] Benner se unió a la facultad de la Universidad de Florida , como profesor de química y biología celular y molecular. Fue nombrado Profesor Distinguido de Química VT & Louise Jackson en el Departamento de Química de la Universidad de Florida en 2004. [11]

Benner abandonó la Universidad de Florida a finales de diciembre de 2005 para fundar el Instituto Westheimer de Ciencia y Tecnología (TWIST) en honor a Frank Westheimer . Forma parte de la Fundación para la Evolución Molecular Aplicada (FfAME) en Alachua, Florida , que Benner fundó en 2001. [12]

Benner fundó EraGen Biosciences en 1999. La empresa fue adquirida por Luminex en 2011. [13] [14] Fundó Firebird BioMolecular Sciences LLC en 2005. [12] [15] [16]

Investigación

La investigación de Benner se divide en cuatro áreas principales:

  1. Ampliación del alfabeto genético mediante la síntesis de estructuras artificiales
  2. Química prebiótica, la recreación del origen químico de la vida
  3. Paleogenética, el estudio de proteínas antiguas de especies extintas hace mucho tiempo.
  4. Detección de vida extraterrestre [17]

El laboratorio Benner es el creador del campo de la " biología sintética ", que busca generar, mediante síntesis química , moléculas que reproduzcan el comportamiento complejo de los sistemas vivos, incluyendo su genética, herencia y evolución. A continuación se enumeran algunos puntos destacados del trabajo anterior en genética química.

Síntesis de genes

En 1984, el laboratorio de Benner en Harvard fue el primero en informar sobre la síntesis química de un gen que codifica una enzima, [18] [19] [20] después de la síntesis de Khorana de un gen más corto para ARNt en 1970. [21] Este fue el primer gen diseñado de cualquier tipo, un logro pionero que sentó las bases para la ingeniería de proteínas . [22] Las estrategias de diseño introducidas en esta síntesis ahora se utilizan ampliamente para apoyar la ingeniería de proteínas. [23]

Sistemas genéticos artificiales

Los esfuerzos hacia el objetivo de los sistemas genéticos artificiales fueron reportados por primera vez por Benner y colaboradores en 1989, cuando desarrollaron el primer par de bases no natural . [24] [25] [26] [27] Benner y sus colegas han desarrollado desde entonces un sistema de información genética artificialmente expandido de seis letras llamado Sistema de Información Genética Expandido Artificialmente (AEGIS) que incluye dos nucleótidos no estándar adicionales (Z y P) además de los cuatro nucleótidos estándar (G, A, C y T). [28] [29] [30] [31] AEGIS tiene su propia biología molecular de apoyo. [5] Permite la síntesis de proteínas con más de los 20 aminoácidos codificados naturalmente, y proporciona información sobre cómo los ácidos nucleicos forman estructuras dúplex, cómo las proteínas interactúan con los ácidos nucleicos, [32] y cómo los sistemas genéticos alternativos podrían aparecer en la vida no terrestre. [33]

Benner es uno de los investigadores, entre los que se incluyen Eric T. Kool, Floyd E. Romesberg, Ichiro Hirao, Mitsuhiko Shionoya y Andrew Ellington, que han creado un alfabeto extendido de bases sintéticas que se pueden incorporar al ADN (así como al ARN) utilizando enlaces Watson-Crick (así como enlaces no Watson-Crick). Si bien la mayoría de estas bases sintéticas son derivadas de las bases A, C, G, T, algunas son diferentes. Mientras que algunas están en pares Watson-Crick (A/T, C/G), algunas se autocomplementan (X/X). De este modo, se ha ampliado el alfabeto genético. [15] [25] [27] [34] [35] [36] [37] [38] : 88–98 

El número de posibles tripletes de nucleótidos, o codones , disponibles en la síntesis de proteínas depende del número de nucleótidos disponibles. El alfabeto estándar (G, A, C y T) produce 4 3 = 64 codones posibles, mientras que un alfabeto de ADN expandido con 9 bases de ADN tendría 9 3 = 729 codones posibles, muchos de ellos codones sintéticos. Para que estos codones sean útiles, se ha creado la aminoacil ARNt sintetasa de manera que el ARNt pueda codificar el posible aminoácido sintético que se va a acoplar con su anticodón sintético correspondiente. Benner ha descrito un sistema de este tipo que utiliza ADN sintético iso-C/iso-G que utiliza el codón de ADN sintético [iso-C/A/G] al que llama el codón 65. El ARNm sintético con anticodón sintético [iso-G/U/C] con aminoacil-ARNt sintetasa sintética da como resultado un experimento in vivo que puede codificar un aminoácido sintético incorporado en polipéptidos sintéticos ( proteómica sintética ). [38] : 100–106 

Un modelo de “segunda generación” para los ácidos nucleicos

Benner ha utilizado la química orgánica sintética y la biofísica para crear un modelo de "segunda generación" para la estructura de los ácidos nucleicos. El modelo de primera generación del ADN fue propuesto por James Watson y Francis Crick , basándose en las estructuras de rayos X cristalizadas que estudiaba Rosalind Franklin . Según el modelo de doble hélice , el ADN está compuesto por dos cadenas complementarias de nucleótidos enrolladas una alrededor de la otra. [39] El modelo de Benner enfatiza el papel de la cadena principal de azúcar y fosfato en el evento de reconocimiento molecular genético. La cadena principal polianiónica es importante para crear la estructura extendida que ayuda al ADN a replicarse. [40] [41] [42]

En 2004, Benner informó sobre el primer intento exitoso de diseñar una molécula artificial similar al ADN capaz de reproducirse a sí misma. [22]

Secuenciación del genoma y predicción de la estructura de las proteínas

A finales de los años 1980, Benner reconoció el potencial de los proyectos de secuenciación del genoma para generar millones de secuencias y permitir a los investigadores hacer un mapeo extenso de las estructuras moleculares en la química orgánica. A principios de los años 1990, Benner conoció a Gaston Gonnet , iniciando una colaboración que aplicó las herramientas de Gonnet para la búsqueda de texto a la gestión de secuencias de proteínas. [43] [44] En 1990, en colaboración con Gaston Gonnet , el laboratorio de Benner presentó el banco de trabajo de bioinformática DARWIN. DARWIN (Análisis y recuperación de datos con secuencias de ácidos nucleicos y péptidos indexadas) era un entorno de programación de alto nivel para examinar secuencias genómicas. Respaldaba la coincidencia de secuencias genómicas en bases de datos y generaba información que mostraba cómo las proteínas naturales podían evolucionar de manera divergente bajo restricciones funcionales mediante la acumulación de mutaciones, inserciones y deleciones. [45] Basándose en Darwin, el laboratorio de Benner proporcionó herramientas para predecir la estructura tridimensional de las proteínas a partir de datos de secuencias. La información sobre las estructuras proteicas conocidas fue recopilada y comercializada como una base de datos comercial, el Catálogo Maestro, por la empresa emergente EraGen de Benner. [45]

El uso de información de secuencias múltiples para predecir la estructura secundaria de las proteínas se hizo popular como resultado del trabajo de Benner y Gerloff. [46] [47] [48] Las predicciones de la estructura secundaria de las proteínas realizadas por Benner y sus colegas lograron una gran precisión. [49] Se hizo posible modelar los pliegues de las proteínas, detectar homólogos distantes, habilitar la genómica estructural y unir la secuencia, la estructura y la función de las proteínas. Además, este trabajo sugirió límites a la predicción de la estructura por homología, definiendo lo que se puede y no se puede hacer con esta estrategia. [45]

Herramientas prácticas de genotipado

El enfoque de Benner abrió nuevas perspectivas sobre cómo funcionan los ácidos nucleicos, así como herramientas para diagnósticos y nanotecnología. La FDA ha aprobado productos que utilizan AEGIS DNA en diagnósticos humanos. Estos monitorean las cargas de virus en pacientes infectados con hepatitis B , hepatitis C y VIH . [50] AEGIS ha sido la base del desarrollo de herramientas para la detección multiplexada de marcadores genéticos como células cancerosas [51] y polimorfismos de un solo nucleótido en muestras de pacientes. Estas herramientas permitirán la medicina personalizada utilizando análisis genéticos " point-of-care ", [52] así como herramientas de investigación que miden el nivel de moléculas de ARNm individuales dentro de procesos únicos de neuronas vivas individuales. [53]

Proteómica interpretativa

Al interpretar los datos genómicos y retrotraerlos a un ancestro genético común, "Luca", el laboratorio Benner ha introducido herramientas que analizan patrones de conservación y variación utilizando la biología estructural, estudian la variación de estos patrones a lo largo de diferentes ramas de un árbol evolutivo y correlacionan eventos en el registro genético con eventos en la historia de la biosfera conocidos a partir de la geología y los fósiles. De esto han surgido ejemplos que muestran cómo se pueden entender los roles de las biomoléculas en la vida contemporánea a través de modelos del pasado histórico. [54] [55]

Paleogenética experimental

Benner fue un creador del campo de la paleogenética experimental , donde los genes y las proteínas de organismos antiguos se resucitan utilizando bioinformática y tecnología de ADN recombinante. [56] El trabajo experimental sobre proteínas antiguas ha probado hipótesis sobre la evolución de funciones biológicas complejas, incluyendo la bioquímica de la digestión de los rumiantes, [57] [58] : 209  la termofilia de las bacterias antiguas y la interacción entre plantas, frutas y hongos en el momento de la extinción del Cretácico . [58] : 17  Estos desarrollan nuestra comprensión del comportamiento biológico que se extiende desde la molécula a la célula al organismo, ecosistema y planeta, a veces denominado biología planetaria. [58] : 221 

Astrobiología

Benner está profundamente interesado en el origen de la vida y las condiciones necesarias para sustentar un modelo de mundo de ARN en el que el ARN autorreplicante sea un precursor de la vida en la Tierra. Ha identificado el calcio , el borato y el molibdeno como importantes para la formación exitosa de carbohidratos y la estabilización del ARN. [59] Sugirió que el planeta Marte puede haber tenido condiciones más deseables que la Tierra para la producción inicial de ARN, [60] [61] pero más recientemente estuvo de acuerdo en que los modelos de la Tierra primitiva que muestran tierra seca y agua intermitente, desarrollados por Stephen Mojzsis, presentan condiciones suficientes para el desarrollo del ARN. [12]

El grupo de Benner ha trabajado para identificar estructuras moleculares que probablemente sean características universales de los sistemas vivos independientemente de su génesis, y no productos probables de procesos no biológicos. Estas son " biofirmas ", tanto para la vida similar a la terrestre como para las formas de vida "extrañas". [3] [62] [63]

Uno de estos identificadores universales de vida fue propuesto en la Teoría Polielectrolítica del Gen. Esta idea propone que para que un biopolímero genético lineal disuelto en agua, como el ADN , experimente una evolución darwiniana en cualquier parte del universo, debe ser un polielectrolito , un polímero que contiene cargas iónicas repetidas . [64] Este concepto fue vinculado por Benner a la visión del "cristal aperiódico" del gen propuesta por Erwin Schrödinger en su libro " ¿Qué es la vida? " para hacer una visión robusta y universalmente generalizable de la biomolécula genética. [65] Esta idea ha sido sugerida como un marco mediante el cual los científicos pueden buscar vida en otros cuerpos solares además de la Tierra. [66]

Referencias

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