Hace cinco años, científicos crearon un organismo sintético unicelular que, con solo 473 genes, era la célula viva más simple jamás conocida.
Sin embargo, este organismo parecido a una bacteria se comportó de manera extraña al crecer y dividirse, produciendo células con formas y tamaños tremendamente diferentes.
Ahora, una colaboración entre el Instituto J. Craig Venter (JCVI), el NIST (National Institute of Standards and Technology) y el Center for Bits and Atoms del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT), han identificado siete genes que se pueden agregar para domesticar la naturaleza rebelde de las células, haciendo que se dividan perfectamente en orbes uniformes. El avance se presenta en la revista Cell.
La identificación de estos genes es un paso importante hacia la ingeniería de células sintéticas que hacen cosas útiles. Estas células podrían actuar como pequeñas fábricas que producen medicamentos, alimentos y combustibles; detectar enfermedades y producir medicamentos para tratarlas mientras viven dentro del cuerpo; y funcionan como pequeñas computadoras.
Pero para diseñar y construir una célula que haga exactamente lo que se quiere que haga, es útil tener una lista de partes esenciales y saber cómo encajan.
«Queremos comprender las reglas fundamentales de diseño de la vida», dijo en un comunicado Elizabeth Strychalski, coautora del estudio y líder del Grupo de Ingeniería Celular del NIST. «Si esta célula puede ayudarnos a descubrir y comprender esas reglas, entonces nos vamos a las carreras».
Los científicos de JCVI construyeron la primera célula con un genoma sintético en 2010. No construyeron esa célula completamente desde cero. En cambio, comenzaron con células de un tipo muy simple de bacteria llamada micoplasma. Destruyeron el ADN de esas células y lo reemplazaron con ADN que fue diseñado en una computadora y sintetizado en un laboratorio. Este fue el primer organismo en la historia de la vida en la Tierra en tener un genoma completamente sintético. Lo llamaron JCVI-syn1.0.
Desde entonces, los científicos han estado trabajando para reducir ese organismo a sus componentes genéticos mínimos. La célula súper simple que crearon hace cinco años, apodada JCVI-syn3.0, era quizás demasiado minimalista. Los investigadores ahora han agregado 19 genes a esta célula, incluidos los siete necesarios para la división celular normal, para crear la nueva variante, JCVI-syn3A. Esta variante tiene menos de 500 genes. Para poner ese número en perspectiva, la bacteria E. coli que vive en su intestino tiene alrededor de 4.000 genes. Una célula humana tiene alrededor de 30.000.
Identificar esos siete genes adicionales tomó años de un esfuerzo minucioso por parte del grupo de biología sintética de JCVI, dirigido por el coautor John Glass. La coautora principal y científica del JCVI, Lijie Sun, construyó docenas de cepas variantes añadiendo y eliminando genes de forma sistemática. Ella y los otros investigadores luego observarían cómo esos cambios genéticos afectaron el crecimiento y la división celular.
El papel del NIST era medir los cambios resultantes bajo un microscopio. Este fue un desafío porque las células tenían que estar vivas para su observación. Usar microscopios potentes para observar células muertas es relativamente fácil. Obtener imágenes de células vivas es mucho más difícil.
Mantener estas células en su lugar bajo un microscopio fue particularmente difícil porque son muy pequeñas y delicadas. Cien o más cabrían dentro de una sola bacteria E. coli. Pequeñas fuerzas pueden destrozarlos.
Para resolver este problema, Strychalski y los coautores del MIT James Pelletier, Andreas Mershin y Neil Gershenfeld diseñaron un quimiostato de microfluidos, una especie de mini acuario, donde las células podían mantenerse alimentadas y felices bajo un microscopio óptico. El resultado fue un video ‘stop-motion’ que mostraba las células sintéticas creciendo y dividiéndose.
Un video muestra las células JCVI-syn3.0, las que se crearon hace cinco años, dividiéndose en diferentes formas y tamaños. Algunas de las células forman filamentos. Otros parecen no separarse completamente y alinearse como cuentas en una cuerda. A pesar de la variedad, todas las células de ese video son genéticamente idénticas.
Otro video muestra las nuevas células JCVI-Syn3A dividiéndose en células de forma y tamaño más uniformes.
Estos videos y otros similares permitieron a los investigadores observar cómo sus manipulaciones genéticas afectaron el crecimiento y la división celular. Si la eliminación de un gen interrumpía el proceso normal, lo devolvían y probaban con otro.
«Nuestro objetivo es conocer la función de cada gen para que podamos desarrollar un modelo completo de cómo funciona una célula», dijo Pelletier.
Pero ese objetivo aún no se ha alcanzado. De los siete genes agregados a este organismo para la división celular normal, los científicos saben lo que hacen solo dos de ellos. Aún no se conocen los roles que juegan los otros cinco en la división celular.
«La vida sigue siendo una caja negra», dijo Strychalski. Pero con esta célula sintética simplificada, los científicos pueden ver bien lo que sucede en su interior.
