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Steven 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 fundó las empresas EraGen Biosciences y Firebird BioMolecular Sciences LLC.

Benner y sus colegas fueron los primeros en sintetizar un gen, iniciando el campo de la biología sintética . Jugó un papel decisivo 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 extraterrestres, utilizando la definición de vida desarrollada por el Grupo de Trabajo de Disciplina de Exobiología de la NASA en 1992, “un sistema químico autosostenible capaz de una 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 doctorado. La tesis fue la 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 profesores jóvenes 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 ETH Zurich , el Instituto Federal Suizo de Tecnología en Zurich. [9] Ocupó los cargos 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 tanto de química como de 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 dejó 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 . Es 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. Ampliar el 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 iniciador del campo de la " biología sintética ", que busca generar, mediante síntesis química , moléculas que reproduzcan el complejo comportamiento de los sistemas vivos, incluida su genética, herencia y evolución. A continuación se enumeran algunos puntos destacados de trabajos anteriores 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 el ARNt en 1970. [21] Esta fue la primera 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 respaldar la ingeniería de proteínas. [23]

Sistemas genéticos artificiales

Benner y sus colaboradores informaron por primera vez sobre los esfuerzos hacia el objetivo de sistemas genéticos artificiales en 1989, cuando desarrollaron el primer par de bases no naturales . [24] [25] [26] [27] Desde entonces, Benner y sus colegas han desarrollado un sistema de información genética expandido artificialmente de seis letras llamado Sistema de información genética expandido artificialmente (AEGIS), que incluye dos nucleótidos no estándar adicionales (Z y P) además a 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 podrían aparecer sistemas genéticos alternativos en seres no humanos. -vida terrestre. [33]

Benner es uno de varios investigadores, incluidos Eric T. Kool, Floyd E. Romesberg, Ichiro Hirao, Mitsuhiko Shionoya y Andrew Ellington, que han creado un alfabeto extendido de bases sintéticas que pueden incorporarse 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 derivados de las bases A, C, G, T, algunas son diferentes. Mientras que algunos están en pares Watson-Crick (A/T, C/G), otros son autocomplementarios (X/X). Así 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 aminoácido posiblemente sintético que se acoplará con su correspondiente anticodón sintético. 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 él llama 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 ácidos nucleicos

Benner ha utilizado la biofísica y la química orgánica sintética para crear un modelo de "segunda generación" para la estructura del ácido nucleico. El modelo de ADN de primera generación fue propuesto por James Watson y Francis Crick , basado en estructuras cristalizadas de rayos X que estudiaba Rosalind Franklin . Según el modelo de doble hélice , el ADN se compone de dos cadenas complementarias de nucleótidos enrollados entre sí. [39] El modelo de Benner enfatiza el papel de la columna vertebral de azúcar y fosfato en el evento de reconocimiento molecular genético. La columna vertebral 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 proteínas.

A finales de la década de 1980, Benner reconoció el potencial de los proyectos de secuenciación del genoma para generar millones de secuencias y permitir a los investigadores realizar un mapeo extenso de estructuras moleculares en química orgánica. A principios de la década de 1990, Benner conoció a Gaston Gonnet , iniciando una colaboración que aplicaba las herramientas de Gonnet para la búsqueda de textos a la gestión de secuencias de proteínas. [43] [44] En 1990, en colaboración con Gaston Gonnet , el laboratorio Benner introdujo el banco de trabajo de bioinformática DARWIN. DARWIN (Análisis y recuperación de datos con secuencias indexadas de ácidos nucleicos y péptidos) era un entorno de programación de alto nivel para examinar secuencias genómicas. Apoyó la comparación de secuencias genómicas en bases de datos y generó información que mostraba cómo las proteínas naturales podían evolucionar de manera divergente bajo limitaciones funcionales mediante la acumulación de mutaciones, inserciones y eliminaciones. [45] Basándose en Darwin, el laboratorio Benner proporcionó herramientas para predecir la estructura tridimensional de las proteínas a partir de datos de secuencia. La startup EraGen de Benner recopiló y comercializó información sobre estructuras de proteínas conocidas como una base de datos comercial, el Master Catalog. [45]

El uso de información de secuencias múltiples para predecir la estructura secundaria de proteínas se hizo popular como resultado del trabajo de Benner y Gerloff. [46] [47] [48] Las predicciones de la estructura secundaria de proteínas realizadas por Benner y sus colegas lograron una alta precisión. [49] Se hizo posible modelar pliegues de proteínas, detectar homólogos distantes, habilitar la genómica estructural y unir la secuencia, estructura y función de las proteínas. Además, este trabajo sugirió límites a la predicción de estructuras 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 el diagnóstico y la nanotecnología. La FDA ha aprobado productos que utilizan ADN AEGIS 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 una medicina personalizada utilizando análisis genéticos " en el lugar de atención ", [52] así como herramientas de investigación que miden el nivel de moléculas individuales de ARNm dentro de procesos individuales de neuronas vivas individuales. [53]

Proteómica interpretativa

Al interpretar datos genómicos y proyectarlos hacia 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 en estos patrones en diferentes ramas de un árbol evolutivo y correlacionan eventos en el registro genético con acontecimientos de la historia de la biosfera conocidos a partir de la geología y los fósiles. De esto han surgido ejemplos que muestran cómo las funciones de las biomoléculas en la vida contemporánea pueden entenderse a través de modelos del pasado histórico. [54] [55]

Paleogenética experimental

Benner fue uno de los creadores del campo de la paleogenética experimental , donde se resucita genes y proteínas de organismos antiguos mediante bioinformática y tecnología de ADN recombinante. [56] El trabajo experimental con proteínas antiguas ha probado hipótesis sobre la evolución de funciones biológicas complejas, incluida la bioquímica de la digestión de rumiantes, [57] [58] : 209  la termofilia de 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, al ecosistema y al planeta, a veces denominado biología planetaria. [58] : 221 

Astrobiología

Benner está profundamente interesado en el origen de la vida y las condiciones necesarias para respaldar un modelo de mundo de ARN en el que el ARN autorreplicante es 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 probablemente productos de procesos no biológicos. Se trata de " biofirmas ", tanto de vida terrestre como de formas de vida "extrañas". [3] [62] [63]

Uno de estos identificadores universales de vida fue propuesto en la Teoría del gen polielectrolítico . 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 contenga cargas iónicas repetidas . [64] Benner vinculó este concepto a la visión del gen del "cristal aperiódico" propuesta por el libro de Erwin Schrödinger " ¿Qué es la vida? " para crear 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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