La máquina biológica produce sus propios bloques de construcción
Los investigadores han desarrollado por primera vez un genoma del tamaño de una célula mínima que puede copiarse a sí misma
El campo de la biología sintética no sólo observa y describe los procesos de la vida, sino que también los imita. Una característica clave de la vida es la capacidad de replicarse, lo que significa el mantenimiento de un sistema químico. Los científicos del Instituto Max Planck de Bioquímica en Martinsried generaron un sistema capaz de regenerar partes de su propio ADN y bloques de construcción de proteínas.
Los científicos construyeron una máquina biológica in vitro, que es capaz de replicarse a sí misma.
© emieldelange by adobestock
En el campo de la biología sintética, los investigadores investigan los llamados procesos "de abajo hacia arriba", lo que significa la generación de sistemas de imitación de la vida a partir de bloques de construcción inanimados. Una de las características fundamentales de todo organismo vivo es la capacidad de conservarse y reproducirse como entidades distintas. Sin embargo, el enfoque artificial "de abajo hacia arriba" para crear un sistema, que sea capaz de replicarse a sí mismo, es un gran desafío experimental. Por primera vez, los científicos han logrado superar este obstáculo y sintetizar tal sistema.
Una máquina biológica produce sus propios bloques de construcción
Hannes Mutschler, jefe del grupo de investigación "Sistemas Biomiméticos" del MPI de Bioquímica, y su equipo se dedican a imitar la replicación de genomas y la síntesis de proteínas con un enfoque "de abajo hacia arriba". Ambos procesos son fundamentales para la autopreservación y la reproducción de los sistemas biológicos. Los investigadores lograron ahora producir un sistema in vitro, en el que ambos procesos podían tener lugar simultáneamente. "Nuestro sistema es capaz de regenerar por sí mismo una proporción significativa de sus componentes moleculares", explica Mutschler. Para iniciar este proceso, los investigadores necesitaban un manual de construcción así como varias "máquinas" moleculares y nutrientes. Traducido en términos biológicos, esto significa que el manual de construcción es el ADN, que contiene la información para producir proteínas. Las proteínas se denominan a menudo "máquinas moleculares" porque suelen actuar como catalizadores, que aceleran las reacciones bioquímicas en los organismos. Los componentes básicos del ADN son los llamados nucleótidos. Las proteínas están hechas de aminoácidos.
Estructura modular del manual de construcción
Específicamente, los investigadores han optimizado un sistema de expresión in vitro que sintetiza proteínas basadas en un plano de ADN. Gracias a varias mejoras, el sistema de expresión in vitro es ahora capaz de sintetizar proteínas, conocidas como polimerasas de ADN, de forma muy eficiente. Estas polimerasas de ADN luego replican el ADN usando nucleótidos. Kai Libicher, primer autor del estudio, explica: "A diferencia de estudios anteriores, nuestro sistema es capaz de leer y copiar genomas de ADN comparativamente largos". Los científicos ensamblaron los genomas artificiales de hasta 11 piezas de ADN en forma de anillo. Esta estructura modular les permite insertar o quitar fácilmente ciertos segmentos de ADN. El mayor genoma modular reproducido por los investigadores del estudio consiste en más de 116.000 pares de bases, alcanzando la longitud del genoma de células muy simples.
La regeneración de las proteínas
Además de codificar polimerasas que son importantes para la replicación del ADN, el genoma artificial contiene planos de otras proteínas, como 30 factores de traducción originados por la bacteria Escherischia coli. Los factores de traducción son importantes para la traducción de la huella de ADN en las respectivas proteínas. Por lo tanto, son esenciales para los sistemas de auto-replicación, que imitan los procesos bioquímicos. Para demostrar que el nuevo sistema de expresión in vitro no sólo es capaz de reproducir el ADN, sino también de producir sus propios factores de traducción, los investigadores utilizaron la espectrometría de masas. Con este método analítico, determinaron la cantidad de proteínas producidas por el sistema. Sorprendentemente, algunos de los factores de traducción estaban incluso presentes en mayores cantidades después de la reacción que antes. Según los investigadores, se trata de un paso importante hacia un sistema de auto-replicación continua que imita los procesos biológicos.
En el futuro, los científicos quieren ampliar el genoma artificial con segmentos adicionales de ADN. En cooperación con los colegas de la red de investigación MaxSynBio, quieren producir un sistema envolvente que sea capaz de mantenerse viable añadiendo nutrientes y eliminando los productos de desecho. Esa célula mínima podría utilizarse luego, por ejemplo, en la biotecnología como una máquina de producción a medida de sustancias naturales o como una plataforma para construir sistemas vitales aún más complejos.
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