La genómica sintética es un campo naciente de la biología sintética que utiliza aspectos de la modificación genética en formas de vida preexistentes o la síntesis genética artificial para crear ADN nuevo o formas de vida enteras.
La genómica sintética se diferencia de la modificación genética en el sentido de que no utiliza genes que se encuentran de forma natural en sus formas de vida. Puede utilizar series de pares de bases diseñadas a medida , aunque en un sentido más amplio y aún no realizado, la genómica sintética podría utilizar códigos genéticos que no estén compuestos por los dos pares de bases de ADN que utilizan actualmente los seres vivos.
El desarrollo de la genómica sintética está relacionado con ciertas capacidades técnicas y tecnologías recientes en el campo de la genética. La capacidad de construir cadenas largas de pares de bases de forma económica y precisa a gran escala ha permitido a los investigadores realizar experimentos en genomas que no existen en la naturaleza. Junto con los avances en los modelos de plegamiento de proteínas y la disminución de los costos computacionales, el campo de la genómica sintética está comenzando a entrar en una etapa productiva de vitalidad.
Los investigadores lograron crear un organismo sintético por primera vez en 2010. [1] Este avance fue realizado por Synthetic Genomics, Inc. , que continúa especializándose en la investigación y comercialización de genomas diseñados a medida. [2] Se logró sintetizando un genoma de 600 kbp (similar al de Mycoplasma genitalium , salvo la inserción de algunas marcas de agua) a través del método de ensamblaje de Gibson y la recombinación asociada a la transformación. [3]
Poco después del descubrimiento de las endonucleasas de restricción y las ligasas , el campo de la genética comenzó a utilizar estas herramientas moleculares para ensamblar secuencias artificiales a partir de fragmentos más pequeños de ADN sintético o natural. La ventaja de utilizar el enfoque recombinatorio en lugar de la síntesis continua de ADN se deriva de la relación inversa que existe entre la longitud del ADN sintético y el porcentaje de pureza de esa longitud sintética. En otras palabras, a medida que se sintetizan secuencias más largas, aumenta el número de clones que contienen errores debido a las tasas de error inherentes a las tecnologías actuales. [4] Aunque la tecnología del ADN recombinante se utiliza más comúnmente en la construcción de proteínas de fusión y plásmidos , han surgido varias técnicas con mayores capacidades, lo que permite la construcción de genomas completos. [5]
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El ensamblaje cíclico de la polimerasa (PCA) utiliza una serie de oligonucleótidos (u oligos), de aproximadamente 40 a 60 nucleótidos de longitud, que en conjunto constituyen ambas cadenas del ADN que se está sintetizando. Estos oligos están diseñados de tal manera que un solo oligo de una cadena contiene una longitud de aproximadamente 20 nucleótidos en cada extremo que es complementaria a las secuencias de dos oligos diferentes en la cadena opuesta, creando así regiones de superposición. El conjunto completo se procesa a través de ciclos de: (a) hibridación a 60 °C; (b) elongación mediante la polimerasa Taq y una ligasa estándar; y (c) desnaturalización a 95 °C, formando cadenas contiguas progresivamente más largas y finalmente dando como resultado el genoma final. [6] El PCA se utilizó para generar el primer genoma sintético de la historia, el del virus Phi X 174. [7]
El método de ensamblaje de Gibson , diseñado por Daniel Gibson durante su estancia en el Instituto J. Craig Venter , requiere un conjunto de casetes de ADN de doble cadena que constituyen el genoma completo que se sintetiza. Nótese que los casetes difieren de los contigs por definición, en que estas secuencias contienen regiones de homología con otros casetes para los fines de la recombinación . A diferencia del ensamblaje cíclico de la polimerasa, el ensamblaje de Gibson es una reacción isotérmica de un solo paso con una mayor capacidad de longitud de secuencia; por lo tanto, se utiliza en lugar del ensamblaje cíclico de la polimerasa para genomas mayores de 6 kb.
Una exonucleasa T5 realiza una reacción de masticación en los segmentos terminales, trabajando en la dirección 5' a 3', produciendo así salientes complementarios. Los salientes se hibridan entre sí, una ADN polimerasa Phusion rellena los nucleótidos faltantes y las muescas se sellan con una ligasa. Sin embargo, los genomas capaces de sintetizarse utilizando solo este método son limitados porque a medida que los casetes de ADN aumentan de longitud, requieren propagación in vitro para continuar hibridándose; en consecuencia, el ensamblaje de Gibson se utiliza a menudo junto con la recombinación asociada a la transformación (ver más abajo) para sintetizar genomas de varios cientos de kilobases de tamaño. [8]
El objetivo de la tecnología de recombinación asociada a la transformación (TAR) en genómica sintética es combinar contigs de ADN mediante recombinación homóloga realizada por el cromosoma artificial de levadura (YAC). Es importante el elemento CEN dentro del vector YAC, que corresponde al centrómero de la levadura. Esta secuencia le da al vector la capacidad de comportarse de manera cromosómica, lo que le permite realizar la recombinación homóloga. [9]
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En primer lugar, se realiza la clonación de reparación de brechas para generar regiones de homología que flanquean los contigs de ADN. La clonación de reparación de brechas es una forma particular de la reacción en cadena de la polimerasa en la que se utilizan cebadores especializados con extensiones más allá de la secuencia del ADN diana. [10] Luego, los casetes de ADN se exponen al vector YAC, que impulsa el proceso de recombinación homóloga, conectando así los casetes de ADN. La tecnología TAR y el ensamblaje cíclico de la polimerasa se utilizaron juntos para construir el genoma de 600 kb de Mycoplasma genitalium en 2008, el primer organismo sintético jamás creado. [11] Se tomaron medidas similares para sintetizar el genoma más grande de Mycoplasma mycoides unos años más tarde. [12]
Un par de bases no naturales (UBP) es una subunidad diseñada (o nucleobase ) de ADN que se crea en un laboratorio y no se produce en la naturaleza. En 2012, un grupo de científicos estadounidenses dirigido por Floyd E. Romesberg , un biólogo químico del Instituto de Investigación Scripps en San Diego, California, publicó que su equipo diseñó un par de bases no naturales (UBP). [13] Los dos nuevos nucleótidos artificiales o pares de bases no naturales (UBP) se denominaron d5SICS y dNaM . Más técnicamente, estos nucleótidos artificiales que llevan nucleobases hidrófobas , presentan dos anillos aromáticos fusionados que forman un complejo (d5SICS–dNaM) o par de bases en el ADN. [14] [15] En 2014, el mismo equipo del Scripps Research Institute informó que sintetizaron un tramo de ADN circular conocido como plásmido que contiene pares de bases naturales TA y CG junto con el UBP de mejor rendimiento que había diseñado el laboratorio de Romesberg, y lo insertaron en células de la bacteria común E. coli que replicó con éxito los pares de bases no naturales a través de múltiples generaciones. [16] Este es el primer ejemplo conocido de un organismo vivo que transmite un código genético expandido a generaciones posteriores. [14] [17] Esto se logró en parte mediante la adición de un gen de algas de apoyo que expresa un transportador de trifosfato de nucleótidos que importa eficientemente los trifosfatos de d5SICSTP y dNaMTP a las bacterias E. coli . [14] Luego, las vías de replicación bacterianas naturales los utilizan para replicar con precisión el plásmido que contiene d5SICS–dNaM.
La incorporación exitosa de un tercer par de bases es un avance significativo hacia el objetivo de expandir en gran medida el número de aminoácidos que pueden ser codificados por el ADN, de los 20 aminoácidos existentes a los 172 teóricamente posibles, expandiendo así el potencial de los organismos vivos para producir nuevas proteínas . [16] Las cadenas artificiales de ADN aún no codifican nada, pero los científicos especulan que podrían ser diseñadas para fabricar nuevas proteínas que podrían tener usos industriales o farmacéuticos. [18]
En abril de 2019, los científicos de la ETH de Zúrich informaron sobre la creación del primer genoma bacteriano del mundo , llamado Caulobacter ethensis-2.0 , realizado íntegramente por computadora, aunque todavía no existe una forma viable relacionada de C. ethensis-2.0 . [19] [20]