Origami de ARN: citoesqueletos artificiales para construir células sintéticas
Biólogos sintéticos crean nanotubos plegados a partir de la biomolécula natural ARN
Con el objetivo a largo plazo de crear células vivas a partir de componentes no vivos, los científicos del campo de la biología sintética trabajan con el origami de ARN. Esta herramienta utiliza la multifuncionalidad de la biomolécula natural de ARN para plegar nuevos bloques de construcción, haciendo superflua la síntesis de proteínas. En la búsqueda de la célula artificial, un equipo de investigación dirigido por la Prof. Dra. Kerstin Göpfrich en el Centro de Biología Molecular de la Universidad de Heidelberg ha superado un obstáculo crucial. Utilizando la nueva técnica del origami de ARN, lograron producir nanotubos que se pliegan en estructuras similares al citoesqueleto. El citoesqueleto es un componente estructural esencial de las células que les da estabilidad, forma y movilidad. El trabajo de investigación constituye la base potencial de una maquinaria de ARN más compleja.
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Uno de los principales retos a la hora de construir células sintéticas es la fabricación de proteínas, responsables de casi todos los procesos biológicos del organismo y que, por tanto, hacen posible la vida en primer lugar. En el caso de las células naturales, el llamado dogma central de la biología molecular describe cómo se produce la síntesis de proteínas a través de la transcripción y traducción de la información genética en la célula. En el proceso, el ADN se transcribe en ARN y luego se traduce en proteínas funcionales que posteriormente se someten a un proceso de plegamiento para conseguir su estructura correcta, clave para una función adecuada. "Sólo en este complejo proceso intervienen más de 150 genes", explica la Prof. Göpfrich, que junto con su equipo, "Ingeniería biofísica de la vida", investiga en el Centro de Biología Molecular de la Universidad de Heidelberg (ZMBH).
El trabajo de la Prof. Göpfrich comienza con la cuestión de cómo pueden crearse células sintéticas que eviten la síntesis de proteínas, esencial en las células vivas. Utiliza la técnica del origami de ARN, que se basa en la idea de que la información genética -el plano de la estructura celular, por ejemplo- se traduce utilizando únicamente ARN autoplegable. Primero se diseña una secuencia de ADN en un proceso asistido por ordenador. En ella se codifica la forma que debe adoptar el ARN tras plegarse. Para aproximarse a la estructura deseada, hay que seleccionar los motivos de ARN adecuados y traducirlos a una plantilla genética que, en última instancia, se sintetiza como un gen artificial. Para poner en práctica el modelo que contiene, se utiliza la ARN polimerasa. La enzima lee la información almacenada en la plantilla y fabrica el componente de ARN correspondiente. Unos algoritmos específicamente desarrollados con anterioridad garantizan que el plegado previsto se produzca correctamente.
Con ayuda del origami de ARN, la bióloga sintética de Heidelberg y su equipo consiguieron crear un componente estructural esencial de las células sintéticas: un citoesqueleto artificial. Los microtubos de ARN, de apenas unas micras de longitud, forman una red que se asemeja a una estructura celular natural. Según el profesor Göpfrich, los nanotubos son un paso más hacia la construcción de células sintéticas. Los investigadores probaron el origami de ARN en una vesícula lipídica, un sistema modelo celular sencillo muy utilizado en biología. Utilizando los llamados aptámeros de ARN, el citoesqueleto artificial se unió a las membranas celulares. Mediante mutaciones selectivas de la plantilla genética -la secuencia de ADN- también fue posible influir en las propiedades del esqueleto de ARN.
"A diferencia del origami de ADN, el origami de ARN tiene la ventaja de que las células sintéticas pueden fabricar sus componentes por sí mismas", subraya Kerstin Göpfrich. Añade que esto podría abrir nuevas perspectivas sobre la evolución dirigida de este tipo de células. El objetivo de la investigación a largo plazo es crear una maquinaria molecular completa para células sintéticas basadas en ARN.
La investigación actual forma parte de una subvención de inicio del Consejo Europeo de Investigación para la profesora Göpfrich. También recibió financiación del Programa Científico Frontera Humana, el Ministerio Federal de Educación e Investigación, el Ministerio de Ciencia de Baden-Württemberg en el marco de la Estrategia de Excelencia de los gobiernos federal y estatales alemanes, y el Premio Alfried Krupp. Los resultados de la investigación se publicaron en la revista "Nature Nanotechnology".
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