Las mutaciones genéticas son esenciales para la innovación y la evolución, pero demasiadas (o las equivocadas) pueden ser fatales. Entonces, los investigadores de Cambridge establecieron un sistema de replicación de ADN sintético «ortogonal» en E. coli que pueden utilizar como una forma libre de riesgos para generar y estudiar tales mutaciones. Es ortogonal porque está completamente separado del sistema que E. coli utiliza para copiar su genoma real, que contiene los genes E. coli necesita sobrevivir.
Los genes del sistema ortogonal se copian con una enzima de replicación del ADN extraordinariamente propensa a errores, que estimula una rápida evolución al generar muchas mutaciones aleatorias. Esto continúa mientras E. coliLos genes de son replicados por su enzima copiadora de ADN normal de alta fidelidad. Las dos enzimas trabajan juntas, cada una haciendo lo suyo pero sin interferir con los genes de la otra.
Ingeniería de mutación rápida
Qué buena idea, ¿verdad? Los científicos lo robaron de la naturaleza. La levadura ya tiene un sistema como este, con un conjunto de genes copiados por una enzima dedicada que no replica el resto del genoma. Pero E. coli Es mucho más fácil trabajar con ella que con la levadura y su población puede duplicarse en 20 minutos, por lo que se pueden realizar muchas rondas de replicación y evolución rápidamente.
Los investigadores generaron el sistema saqueando un fago, un virus que infecta E. coli. Quitaron todos los genes del fago que permiten que el fago crezca incontrolablemente hasta que reviente el E. coli célula que infectó abierta. La ingeniería dejó sólo un casete que contenía los genes responsables de copiar el genoma del fago. Una vez que este casete fue insertado en el E. coli genoma, podría replicar simultáneamente al menos tres cadenas diferentes de genes colocadas junto a él en el ADN, manteniéndolas durante más de cien generaciones, todo ello dejando al resto del genoma. E. coli genoma para ser copiado por otras enzimas.
Luego, los científicos ajustaron la tasa de mutación de la enzima ortogonal que replica el ADN y finalmente la mejoraron 1.000 veces. Para probar si el sistema podría usarse para desarrollar nuevas funciones, insertaron un gen de resistencia a un antibiótico y observaron cuánto tiempo tardaba ese gen en mutar en uno que confiriera resistencia a un antibiótico diferente. En doce días obtuvieron 150 veces más resistencia al nuevo antibiótico. También insertaron el gen que codifica la proteína verde fluorescente y aumentaron su fluorescencia más de 1.000 veces en cinco días.
Desintoxicación en evolución
Ni 20 páginas después, en el mismo número de Science, el laboratorio de Frances Arnold tiene un artículo que proporciona evidencia de cuán poderoso podría ser este enfoque. Este equipo dirigió la evolución de una enzima a la antigua usanza: mediante rondas secuenciales de mutagénesis aleatoria y selección del rasgo deseado. Arnold ganó el Premio Nobel de Química 2018 por la evolución dirigida de enzimas, así que sabe de qué se trata. En este trabajo reciente, su laboratorio generó una enzima que puede biodegradar los metilsiloxanos volátiles. Cada año fabricamos megatones de estos compuestos para pegarlos en productos de limpieza, champús, lociones y productos industriales, pero persisten en el medio ambiente. Contienen enlaces carbono-silicio, que nunca existieron hasta que los humanos los fabricaron hace unos 80 años; Dado que la naturaleza nunca creó estos vínculos, tampoco existe una forma natural de romperlos.
«La evolución dirigida con siloxano fue particularmente desafiante», señalan los autores en su introducción, por varias razones técnicas. “Partimos de una enzima que habíamos diseñado previamente para otra química de los siloxanos; esa enzima, a diferencia de la enzima natural, mostró una pequeña actividad para la escisión del enlace Si-C del siloxano. Sin embargo, el proyecto general, desde el descubrimiento inicial hasta descubrir cómo medir lo que queríamos, tomó varios años”, dijo Arnold. Y es sólo el primer paso para lograr que los siloxanos sean biodegradables. Se espera que la evolución continua acelerada que permite el nuevo sistema ortólogo facilite en gran medida el desarrollo de enzimas y otras proteínas como esta que tendrán aplicaciones en la investigación, la medicina y la industria.
No tenemos (todavía) máquinas que puedan ensamblar eficientemente largos tramos de ADN o producir proteínas. Pero las células hacen estas cosas de manera extremadamente eficiente y E. coli Las células han sido durante mucho tiempo las que se han utilizado en el laboratorio como pequeñas fábricas, produciendo en masa cualquier gen o proteína que los investigadores programen en ellas. Ahora E. coli pueden usarse para una tarea molecular más: pueden ser pequeños focos de evolución.
Ciencia, 2024. DOI: 10.1126/science.adi5554, 10.1126/science.adk1281