El genoma mínimo es un concepto que puede definirse como el conjunto de genes suficientes para que la vida exista y se propague en condiciones ricas en nutrientes y libres de estrés. Alternativamente, también se puede definir como el conjunto de genes que sustenta la vida en un cultivo de células axénicas en medios ricos, y se cree que lo que constituye el genoma mínimo dependerá de las condiciones ambientales en las que habite el organismo. [1]
Este concepto de genoma mínimo supone que los genomas pueden reducirse al mínimo, dado que contienen muchos genes no esenciales de importancia limitada o situacional para el organismo. Por lo tanto, si se reuniera una colección de todos los genes esenciales , se podría crear artificialmente un genoma mínimo en un entorno estable. Añadiendo más genes, es posible la creación de un organismo con las propiedades deseadas. El concepto de genoma mínimo surgió de las observaciones de que muchos genes no parecen ser necesarios para la supervivencia. [2] [3]
Para crear un nuevo organismo, un científico debe determinar el conjunto mínimo de genes necesarios para el metabolismo y la replicación . Esto se puede lograr mediante el análisis experimental y computacional de las vías bioquímicas necesarias para llevar a cabo el metabolismo y la reproducción básicos. [4] Un buen modelo para un genoma mínimo es Mycoplasma genitalium debido a su tamaño de genoma muy pequeño. La mayoría de los genes que utiliza este organismo suelen considerarse esenciales para la supervivencia; Basándose en este concepto, se ha propuesto un conjunto mínimo de 256 genes. [5]
Científicamente, los proyectos de genoma mínimo permiten la identificación de los genes más esenciales y la reducción de la complejidad genética, lo que hace que las cepas diseñadas sean más predecibles. [6] Industrial y agrícolamente, podrían usarse para diseñar plantas que resistan herbicidas o ambientes hostiles; bacterias para producir sustancias químicas sintéticamente; o microbios para producir bioproductos beneficiosos. [6] Desde el punto de vista ambiental, podrían ser una fuente de energía limpia o productos químicos renovables, o ayudar en el secuestro de carbono de la atmósfera. [6]
Según una de las primeras investigaciones, el genoma mínimo de una bacteria debería incluir un conjunto prácticamente completo de proteínas para la replicación y la traducción, un aparato de transcripción que incluye cuatro subunidades de ARN polimerasa , incluidas las proteínas rudimentarias del factor sigma, suficientes para la recombinación y la reparación, varias proteínas chaperonas, el capacidad de metabolismo anaeróbico a través de glucólisis y fosforilación a nivel de sustrato , transaminación de glutamil-ARNt a glutaminil-ARNt, biosíntesis de lípidos (pero no de ácidos grasos), ocho enzimas cofactores, maquinaria de exportación de proteínas y una red de transporte de metabolitos limitada que incluye ATPasas de membrana. [7] Las proteínas involucradas en el genoma bacteriano mínimo tienden a estar sustancialmente más relacionadas con las proteínas que se encuentran en arqueas y eucariotas en comparación con el gen promedio en el genoma bacteriano, lo que indica de manera más general un número sustancial de proteínas conservadas universalmente (o casi universalmente). Los genomas mínimos reconstruidos a partir de genes existentes no excluyen sistemas más simples en células más primitivas, como un genoma mundial de ARN que no necesita maquinaria de replicación del ADN, que por lo demás forma parte del genoma mínimo de las células actuales. [7]
Los genes que sobreviven con mayor frecuencia a la pérdida genética incluyen los implicados en la replicación, transcripción y traducción del ADN, aunque se conocen varias excepciones. Por ejemplo, la pérdida se puede observar con frecuencia en subunidades de la holoenzima de la ADN polimerasa y en algunos genes de reparación del ADN . La mayoría de las proteínas ribosómicas se retienen (aunque a veces faltan algunas como RpmC). En algunos casos, se pierden algunas ARNt sintetasas. La pérdida de genes también se observa en genes de componentes de la envoltura celular, biosíntesis de biomoléculas como purina, metabolismo energético y más. [8]
El genoma mínimo corresponde a tamaños de genoma pequeños, ya que el tamaño del genoma bacteriano se correlaciona con el número de genes que codifican proteínas, normalmente un gen por kilobase. [1] Mycoplasma genitalium , con un genoma de 580 kb y 482 genes codificadores de proteínas, es un modelo clave para genomas mínimos. [9]
El genoma más pequeño conocido de una bacteria de vida libre es de 1,3 Mb con ~1100 genes. [10] Sin embargo, se observan comúnmente genomas significativamente más reducidos en organismos simbióticos y parásitos naturales. La reducción del genoma impulsada por mutaciones y deriva genética en poblaciones pequeñas y asexuales con sesgos por la eliminación de genes se puede observar en simbiontes y parásitos, que comúnmente experimentan una rápida evolución, reasignaciones de codones, sesgos en las composiciones de nucleótidos AT y niveles elevados de plegamiento incorrecto de proteínas que resulta en una gran dependencia de las chaperonas moleculares para garantizar la funcionalidad de las proteínas. [1] Estos efectos, que coinciden con la proliferación de elementos genéticos móviles, pseudogenes, reordenamientos del genoma y deleción cromosómica, se estudian y observan mejor en simbiontes evolucionados más recientemente. [11] [12] [13]
La causa de esto es que el simbionte o el parásito puede subcontratar una función celular habitual a otra célula y, por lo tanto, al no necesitar llevar a cabo esta función por sí mismo, posteriormente pierde sus propios genes destinados a realizar esta función. Los ejemplos más extremos de reducción del genoma se han encontrado en endosimbiontes transmitidos por vía materna que han experimentado una larga coevolución con sus huéspedes y, en el proceso, han perdido una cantidad sustancial de su autonomía celular. Los simbiontes beneficiosos tienen una mayor capacidad de reducción del genoma que los parásitos, ya que la coadaptación del huésped les permite perder genes cruciales adicionales. [14] Otra distinción importante entre la reducción del genoma en parásitos y la reducción del genoma en endosimbiontes es que los parásitos pierden tanto el gen como su función asociada, mientras que los endosimbiontes a menudo conservan la función del gen perdido ya que esa función es asumida por el huésped. [15]
Para los endosimbiontes de algunos linajes, es posible que se pierda todo el genoma. Por ejemplo, algunos mitosomas e hidrogenosomas (versiones degeneradas de las mitocondrias conocidas en algunos organismos) han experimentado una pérdida total de genes y no les quedan genes, mientras que las mitocondrias humanas aún conservan parte de su genoma. El genoma existente en el orgánulo mitocondrial humano tiene una longitud de 16,6 kb y contiene 37 genes. [16] Entre organismos, el genoma mitocondrial puede codificar entre 3 y 67 proteínas, con sugerencias de que el último ancestro común eucariota codificó un mínimo de 70 genes en su genoma. [17] El genoma mitocondrial más pequeño conocido es el de Plasmodium falciparum , con un tamaño de genoma de 6 kb que contiene tres genes codificadores de proteínas y algunos genes de ARNr. (Por otro lado, el genoma mitocondrial más grande conocido tiene 490 kb. [18] ) También se pueden encontrar genomas casi tan pequeños en apicomplejos relacionados. [19] Por otro lado, los genomas mitocondriales de las plantas terrestres se han expandido a más de 200 kb y el más grande (con más de 11 Mb) supera el tamaño del genoma de las bacterias e incluso de los eucariotas más simples. [20] Los orgánulos conocidos como plastidios en las plantas (incluidos cloroplastos , cromoplastos y leucoplastos ), que alguna vez fueron cianobacterias de vida libre , generalmente retienen genomas más largos del orden de 100 a 200 kb con 80 a 250 genes. [21] En un análisis de 15 genomas de cloroplastos, los cloroplastos analizados tenían entre 60 y 200 genes. En estos cloroplastos, se identificaron un total de 274 genes codificadores de proteínas distintos, y sólo 44 de ellos se encontraron universalmente en todos los genomas de cloroplastos secuenciados. [22] Ejemplos de organismos que han experimentado una reducción del genoma incluyen especies de Buchnera , Chlamydia , Treponema , Mycoplasma y muchas otras. Las comparaciones de múltiples genomas secuenciados de endosimbiontes en múltiples aislados de la misma especie y linaje han confirmado que incluso los simbiontes de larga data todavía experimentan una pérdida y transferencia de genes continua al núcleo. [15] [8] Los integrantes nucleares del ADN mitocondrial o plástido a veces se denominan "numts" y "nupts", respectivamente. [15]
Ahora se han descubierto varios simbiontes con genomas de menos de 500 kb de longitud, la mayoría de ellos simbiontes bacterianos de insectos típicamente de los taxones Pseudomonadota y Bacteroidota . [8] La arquea parásita Nanoarchaeum equitans tiene un genoma de 491 kb de longitud. [23] En 2002, se descubrió que algunas especies del género Buchnera tienen un genoma reducido de sólo 450 kb de tamaño. [24] En 2021, se descubrió que el endosimbionte " Candidatus Azoamicus ciliaticola" tenía un genoma de 290 kb de longitud. [25] En 2010 se descubrió que el simbionte Zinderia insecticola tenía un genoma de 208 kb. [26] En 2006, se encontró otro endosimbionte, Carsonella ruddii, con un genoma reducido de 160 kb de longitud que abarca 182 genes codificadores de proteínas. [27] Sorprendentemente, se descubrió que la pérdida de genes en los simbiontes de Carsonella es un proceso continuo. [28] Se han observado otras etapas intermedias en la pérdida de genes en otros genomas reducidos, incluida la transición de algunos genes a pseudogenes como resultado de la acumulación de mutaciones contra las cuales no se seleccionan, ya que el huésped lleva a cabo el propósito necesario de ese gen. [8] Se encontró que el genoma de Candidatus Hodgkinia cicadicola, un simbionte de cigarras, tenía 144 kb. [29] En 2011, se descubrió que Tremblaya princeps contenía un endosimbionte intracelular con un genoma de 139 kb, reducido hasta el punto de que incluso se habían perdido algunos genes de traducción. [30] En el más pequeño hasta la fecha, un estudio de 2013 encontró algunos simbiontes bacterianos de insectos con genomas aún más pequeños. En concreto, dos simbiontes de saltahojas contenían genomas muy reducidos: mientras que Sulcia muelleri tenía un genoma de 190 kb, Nasuia deltocephalinicola tenía un genoma de sólo 112 kb y contenía 137 genes codificadores de proteínas. Combinados, los genomas de estos dos simbiontes sólo pueden sintetizar diez aminoácidos, además de parte de la maquinaria implicada en la replicación, transcripción y traducción del ADN. Sin embargo, se han perdido los genes necesarios para la síntesis de ATP mediante la fosforilación oxidativa. [31]
Los virus y las partículas similares a virus tienen los genomas más pequeños de la naturaleza. Por ejemplo, el bacteriófago MS2 consta de sólo 3.569 nucleótidos (ARN monocatenario) y codifica sólo cuatro proteínas que se superponen para hacer un uso eficiente del espacio del genoma. [32] Del mismo modo, entre los virus eucariotas, los circovirus porcinos se encuentran entre los más pequeños. [33] Codifican sólo 2-3 marcos de lectura abiertos . Los viroides son moléculas circulares de ARN que no tienen ningún gen que codifique proteínas, aunque la propia molécula de ARN actúa como una ribozima para ayudar a permitir su replicación. El genoma de un viroide tiene entre 200 y 400 nucleótidos de longitud. [34]
Este concepto surgió como resultado de un esfuerzo de colaboración entre la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio (NASA) y dos científicos: Harold Morowitz y Mark Tourtellotte. En la década de 1960, la NASA buscaba formas de vida extraterrestres, asumiendo que, si existían, podrían ser criaturas simples. Para atraer la atención de la gente, Morowitz publicó sobre los micoplasmas como las criaturas autorreplicantes más pequeñas y simples. La NASA y los dos científicos se unieron y se les ocurrió la idea de ensamblar una célula viva a partir de los componentes de los micoplasmas. Los micoplasmas fueron seleccionados como los mejores candidatos para el reensamblaje celular, ya que están compuestos por un conjunto mínimo de orgánulos, como una membrana plasmática, ribosomas y un ADN circular de doble cadena. La idea principal de Morowitz fue definir toda la maquinaria de las células de micoplasmas a nivel molecular. Anunció que un esfuerzo internacional le ayudaría a lograr este objetivo principal.
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En la década de 1980, el laboratorio de Richard Herrmann había secuenciado y caracterizado genéticamente por completo el genoma de 800 kb de M. pneumoniae . A pesar del pequeño tamaño del genoma, el proceso duró tres años. En 1995, otro laboratorio de Maryland, el Instituto de Investigación Genómica (TIGR), colaboró con los equipos de Johns Hopkins y la Universidad de Carolina del Norte. Este grupo optó por secuenciar el genoma de Mycoplasma genitalium , compuesto por un genoma de sólo 580 kb. Esto se completó en 6 meses.
La secuenciación de M. genitalium reveló genes conservados cruciales para definir funciones vitales esenciales en una célula autorreplicante mínima, lo que la convierte en un candidato clave para el proyecto del genoma mínimo.
Encontrar un conjunto mínimo de genes esenciales generalmente se logra mediante la inactivación selectiva o la eliminación de genes y luego probando el efecto de cada uno bajo un conjunto determinado de condiciones. El instituto J. Craig Venter realizó este tipo de experimentos con M. genitalium y encontró 382 genes esenciales.
Posteriormente, el instituto J.Craig Venter inició un proyecto para crear un organismo sintético llamado Mycoplasma laboratorium, utilizando el conjunto mínimo de genes identificados en M. genitalium . [9]
La reconstrucción de un genoma mínimo es posible utilizando el conocimiento de los genomas existentes, a través de los cuales también se pueden determinar los conjuntos de genes esenciales para la vida. Una vez que se conoce el conjunto de elementos genéticos esenciales, se puede proceder a definir las vías clave y los actores principales mediante simulaciones de modelos e ingeniería genómica en laboratorio húmedo. [3]
Desde 1999, los dos organismos a los que se ha aplicado el "conjunto mínimo de genes para la vida celular" son: Haemophilus influenzae y M. genitalium . Se compiló una lista de proteínas ortólogas con la esperanza de que contuviera la proteína necesaria para la supervivencia celular, ya que el análisis ortólogo determina cómo evolucionaron dos organismos y desechó los genes no esenciales. Dado que H. influenza y M. genitalium son bacterias Gram negativas y Gram positivas y debido a su vasta evolución, se esperaba que estos organismos estuvieran enriquecidos con genes que eran de importancia universal. Sin embargo, 244 ortólogos detectados no contenían proteínas específicas del parasitismo. La conclusión de este análisis fue que proteínas no ortólogas podrían realizar funciones bioquímicas similares. Incluso cuando se mapearon las rutas bioquímicas de estos dos organismos, varias estaban presentes, pero muchas estaban incompletas. Las proteínas que se determinó que eran comunes entre los dos organismos no eran ortólogas entre sí. [3]
Gran parte de la investigación se centra principalmente en el genoma ancestral y menos en el genoma mínimo. Los estudios de estos genomas existentes han ayudado a determinar que los genes ortólogos encontrados en estas dos especies no son necesariamente esenciales para la supervivencia; de hecho, se descubrió que los genes no ortólogos son más importantes. Además, se determinó que para que las proteínas compartan las mismas funciones no necesitan tener la misma secuencia o pliegues tridimensionales comunes. Distinguir entre ortólogos y parálogos y detectar desplazamientos de ortólogos ha sido bastante beneficioso para reconstruir la evolución y determinar el conjunto mínimo de genes necesarios para la vida celular. En lugar de realizar un estudio de ortología estricto, comparar grupos de ortólogos y la aparición en la mayoría de los clados en lugar de en cada especie ayudó a encontrar genes perdidos o desplazados. Sólo los genomas que han sido completamente secuenciados han permitido estudiar ortólogos entre el grupo de organismos. Sin un genoma completamente secuenciado no sería posible determinar el conjunto mínimo de genes esenciales necesarios para la supervivencia. [3]
El Instituto J. Craig Venter (JCVI) llevó a cabo un estudio para encontrar todos los genes esenciales de M. genitalium mediante mutagénesis global de transposones . Como resultado, descubrieron que 382 de 482 genes codificadores de proteínas eran esenciales. Los genes que codifican proteínas de función desconocida constituyen el 28% del conjunto de genes codificantes de proteínas esenciales. Antes de realizar este estudio, el JCVI había realizado otro estudio sobre los genes no esenciales, genes no necesarios para el crecimiento, de M.genitalium , donde informaron el uso de mutagénesis por transposones . A pesar de descubrir los genes no esenciales, no está confirmado que los productos que producen estos genes tengan funciones biológicas importantes. Fue sólo a través de estudios de esencialidad genética de bacterias que el JCVI pudo componer un conjunto de genes mínimo hipotético.
En el estudio de 1999 del JCVI entre los dos organismos, M. genitalium y Mycoplasma pneumoniae, mapearon alrededor de 2200 sitios de inserción de transposones e identificaron 130 genes putativos no esenciales en genes codificadores de proteínas de M. genitalium u ortólogos de genes de M. genitalium de M. pneumoniae . En su experimento cultivaron un conjunto de células transformadas Tn4001 durante muchas semanas y aislaron el ADN genómico de esta mezcla de mutantes . Se secuenciaron amplicones para detectar los sitios de inserción de transposones en los genomas de micoplasma. Los genes que contenían las inserciones de transposones eran proteínas hipotéticas o proteínas consideradas no esenciales.
Mientras tanto, durante este proceso algunos de los genes disruptivos que alguna vez se consideraron no esenciales, luego de más análisis resultaron esenciales. La razón de este error podría deberse a que los genes son tolerantes a las inserciones de transposones y, por lo tanto, no se alteran; las células pueden haber contenido dos copias del mismo gen; o el producto genético fue suministrado por más de una célula en esos grupos mixtos de mutantes. La inserción de un transposón en un gen significaba que estaba alterado y, por lo tanto, no era esencial, pero como no confirmaron la ausencia de productos genéticos, confundieron todos los genes disruptivos con genes no esenciales.
El mismo estudio de 1999 se amplió posteriormente y los resultados actualizados se publicaron en 2005.
Algunos de los genes disruptivos que se creían esenciales eran las isoleucil y tirosil-tRNA sintetasas (MG345 y MG455), el gen de replicación del ADN dnaA (MG469) y la subunidad a de la ADN polimerasa III (MG261). La forma en que mejoraron este estudio fue aislando y caracterizando las inserciones de M. genitalium Tn4001 en cada colonia una por una. Los análisis individuales de cada colonia arrojaron más resultados y estimaciones de genes esenciales necesarios para la vida. La mejora clave que lograron en este estudio fue aislar y caracterizar mutantes de transposones individuales. Anteriormente, aislaron muchas colonias que contenían una mezcla de mutantes. El método de clonación por filtro ayudó a separar las mezclas de mutantes.
Ahora, afirman tener conjuntos de genes no esenciales completamente diferentes. Los 130 genes no esenciales reclamados al principio ahora se han reducido a 67. De los 63 genes restantes, 26 genes solo estaban alterados en M. pneumoniae, lo que significa que algunos ortólogos de M. genitalium de genes no esenciales de M. pneumoniae eran en realidad esenciales.
Ahora han identificado completamente casi todos los genes no esenciales en M. genitalium , el número de alteraciones genéticas basadas en las colonias analizadas alcanzó una meseta como función y afirman tener un total de 100 genes no esenciales de los 482 genes que codifican proteínas. en M. genitalium .
El resultado final de este proyecto se ha reducido ahora a la construcción de un organismo sintético, Mycoplasma laboratorium, basado en las 387 regiones codificantes de proteínas y 43 genes estructurales de ARN que se encuentran en M. genitalium . [35] Este proyecto todavía está en marcha. [ necesita actualización ]
En 2010, investigadores del JCVI crearon con éxito una célula bacteriana sintética que era capaz de replicarse a sí misma. El equipo sintetizó un cromosoma de 1,08 millones de pares de bases de un Mycoplasma mycoides modificado . La célula sintética se llama: Mycoplasma mycoides JCVI-syn1.0. El ADN fue diseñado en una computadora, sintetizado y trasplantado a una célula de la que se había extraído el genoma original. Las moléculas originales y las redes de reacción en curso de la célula receptora utilizaron luego el ADN artificial para generar células hijas. Estas células hijas son de origen sintético y capaces de replicarse aún más, controladas únicamente por el genoma sintético. [36]
La primera mitad del proyecto tardó 15 años en completarse. El equipo diseñó un genoma digitalizado y preciso de M. mycoides . Se construyeron un total de 1.078 casetes, cada uno de 1.080 pares de bases de largo. Estos casetes se diseñaron de manera que el extremo de cada casete de ADN se superpusiera en 80 pares de bases. Todo el genoma ensamblado se trasplantó en células de levadura y se cultivó como cromosoma artificial de levadura. [36]
Basado en el progreso del JCVI en el campo de la biología sintética, es posible que en un futuro cercano los científicos puedan propagar el genoma de M. genitalium en forma de ADN desnudo en células de micoplasmas receptoras y reemplazar su genoma original con un genoma sintético. Dado que los micoplasmas no tienen pared celular, es posible la transferencia de ADN desnudo a su célula. El único requisito ahora es la técnica para incluir el genoma sintético de M. genitalium en células de micoplasma. Hasta cierto punto, esto ha sido posible: el JCVI ya ha desarrollado la primera célula sintética replicante y ahora están creando su primera vida sintética, que consta de un número mínimo de genes esenciales. Este nuevo avance en biología sintética traerá sin duda un nuevo enfoque para comprender la biología; y este rediseño y creación de prototipos de genomas será más tarde beneficioso para las empresas de biotecnología, permitiéndoles producir microbios sintéticos que produzcan bioproductos nuevos, más baratos y mejores. [9]
Varios proyectos han intentado identificar los genes esenciales de una especie. Este número debería aproximarse al "genoma mínimo". Por ejemplo, el genoma de E. coli se ha reducido en aproximadamente un 30%, lo que demuestra que esta especie puede vivir con muchos menos genes que los que contiene el genoma natural. [37]
La siguiente tabla contiene una lista de dichos proyectos de genoma mínimo (incluidas las diversas técnicas utilizadas). [38]
El número de genes esenciales es diferente para cada organismo. De hecho, cada organismo tiene una cantidad diferente de genes esenciales, dependiendo de qué cepa (o individuo) se pruebe. Además, el número depende de las condiciones en las que se prueba un organismo. En varias bacterias (u otros microbios como la levadura), todos o la mayoría de los genes se han eliminado individualmente para determinar qué genes son "esenciales" para la supervivencia. Estas pruebas suelen realizarse en medios ricos que contienen todos los nutrientes. Sin embargo, si se aportan todos los nutrientes, los genes necesarios para la síntesis de nutrientes no son "esenciales". Cuando las células se cultivan en medios mínimos, son esenciales muchos más genes, ya que pueden ser necesarios para sintetizar dichos nutrientes (por ejemplo, vitaminas). Los números proporcionados en la siguiente tabla generalmente se han recopilado utilizando medios enriquecidos (pero consulte las referencias originales para obtener más detalles).
El número de genes esenciales se recopiló de la Base de datos de genes esenciales (DEG), [50] excepto B. subtilis , donde los datos provienen de Genome News Network [51] [52] Los organismos enumerados en esta tabla se han probado sistemáticamente. para genes esenciales. Para obtener más información sobre el genoma mínimo, consulte también la sección 'Otros géneros' en 'Mycoplasma laboratorium' .