El impacto de la simplificación del genoma en las bacterias

La simplificación del genoma es un método donde se eliminan genes innecesarios del ADN de un organismo, lo que lleva a una estructura genética más simple. Esto ocurre de forma natural en muchas cositas vivas, especialmente en las que viven en entornos estables y ricos. En estos lugares, los genes que ayudan en procesos que no son necesarios para la supervivencia a menudo se pierden. Sin embargo, no entendemos del todo cómo ocurre este proceso en la naturaleza. La mayor parte de lo que sabemos proviene del estudio de los Genomas de ciertos organismos que viven dentro de otras células y comparándolos con aquellos que viven libremente.

Los científicos han utilizado dos enfoques principales para estudiar la simplificación del genoma en laboratorios. Un enfoque, llamado de arriba hacia abajo, consiste en empezar con un organismo que vive libremente (no como parásito) y eliminar gradualmente genes que no son esenciales. Este método ha tenido éxito en muchas bacterias y hongos, lo que ha llevado a reducciones significativas en su material genético. La otra forma, llamada de abajo hacia arriba, implica crear ADN desde cero para formar un cromosoma mínimo y ponerlo en una célula para crear un nuevo organismo vivo. Usando este método, los investigadores han creado cepas de ciertas bacterias con genomas muy pequeños.

Muchos creen que los genomas simplificados pueden ser útiles para la biología sintética, que es el diseño de nuevas partes o sistemas biológicos. Al eliminar genes que podrían ser perjudiciales en entornos específicos, los científicos pueden adaptar organismos para producir resultados deseados. Por ejemplo, los científicos han eliminado genes específicos en bacterias para mejorar sus posibilidades de supervivencia o aumentar la producción de sustancias útiles como antibióticos o proteínas. Simplificar la estructura de estos organismos también puede facilitar prever cómo se comportarán, especialmente al lidiar con funciones desconocidas de ciertos genes.

Sin embargo, puede haber desventajas al eliminar genes. Algunos genes, aunque no sean necesarios, pueden desempeñar roles importantes en la supervivencia del organismo. Perder estos genes "cuasi-esenciales" puede causar problemas, como hacer que el organismo sea menos capaz de soportar el estrés o afectar la expresión general de los genes. Cuando los investigadores eliminan grandes secciones del genoma, corren el riesgo de perder genes que pueden no parecer importantes al mirarlos individualmente, pero son cruciales cuando se consideran como parte de una red más grande. En algunos casos, estas eliminaciones pueden incluso llevar a la muerte del organismo.

Para abordar la pérdida de Fitness que puede resultar de las eliminaciones de genes, los científicos han utilizado un método llamado evolución en laboratorio para ayudar a los organismos a recuperar su fuerza. Esto significa dejar que los organismos modificados crezcan y evolucionen con el tiempo, lo que puede llevar a nuevas Mutaciones que compensen los genes perdidos. Este enfoque ha demostrado funcionar bien para eliminaciones de un solo gen, pero no está claro si ayudará cuando se eliminen muchos genes a la vez.

#Resumen del Estudio

En esta investigación, analizamos ocho cepas de una bacteria llamada Acinetobacter baylyi que habían sido modificadas para tener genomas reducidos. Pasamos estas cepas por un experimento de evolución en dos tipos diferentes de condiciones de crecimiento: una que era compleja (rica en nutrientes) y otra que era definida (más básica). Nos enfocamos en cepas donde se habían eliminado al menos 17 genes innecesarios sin sesgo hacia los tipos de genes eliminados. Inicialmente, muchas cepas mostraron defectos de fitness, significando que tuvieron dificultades para sobrevivir en comparación con sus antepasados.

Sin embargo, a medida que avanzaba el experimento, la mayoría de las cepas mostraron mejoras en fitness. Secuenciamos los genomas de las cepas evolucionadas para averiguar qué cambios habían ocurrido. Algunas de las mutaciones más comunes aparecieron en una red que regula la expresión genética. Muchas de estas mutaciones parecían contrarrestar los efectos de los genes eliminados, permitiendo a las cepas modificadas adaptarse mejor a sus entornos.

#Variantes de Genoma Reducido y Fitness

Para entender mejor cómo afecta la Eliminación de genes a las bacterias, creamos varias cepas de Acinetobacter usando una versión anterior de esta bacteria, ADP1-ISx. Buscamos simplificar el genoma realizando múltiples eliminaciones de genes. Creamos con éxito cepas que tenían tramos de genes eliminados o múltiples secciones borradas. Al hacerlo, pudimos evaluar cómo las diferentes eliminaciones impactaron el fitness de cada cepa.

Para determinar estos niveles de fitness, configuramos pruebas de competencia en las que nuestras cepas modificadas se enfrentaron a la cepa original (ADP1-ISx) que tenía una etiqueta de proteína fluorescente verde (GFP). Estas competencias se llevaron a cabo tanto en medios complejos como definidos. Los resultados mostraron que las cepas modificadas generalmente tenían un fitness reducido en comparación con la cepa ancestral, con algunas diferencias dependiendo del medio utilizado.

En entornos más ricos en nutrientes, ciertas cepas mostraron niveles de fitness significativamente más bajos. Los datos revelaron que las eliminaciones más grandes generalmente resultaron en mayores defectos de fitness, confirmando la idea de que funciones cruciales podrían haberse perdido a través del proceso de eliminación.

#Evolucionando las Cepas

Para ver si las cepas podían recuperarse después de las eliminaciones de genes, les permitimos evolucionar durante aproximadamente 300 generaciones. Repetimos el proceso de transferir pequeñas cantidades de cultivo a medios frescos regularmente. Después de este período de evolución, seleccionamos colonias individuales para más pruebas.

Realizamos más pruebas de competencia para ver cómo se desempeñaron las cepas evolucionadas contra ADP1-ISx-GFP. Los resultados indicaron que la mayoría de las cepas ganaron fitness a través de la evolución, mostrando una mejora general en comparación con sus estados iniciales. Sin embargo, algunas cepas no recuperaron sus niveles de fitness, sugiriendo que ciertas eliminaciones de genes pueden haber causado daños duraderos que no se podían reparar solo con la evolución.

Las mutaciones que aparecieron durante la evolución mostraron una variedad de impactos en la función de los genes. Algunas involucraron cambios simples en la secuencia de ADN, mientras que otras llevaron a cambios que podrían desactivar completamente ciertos genes. Por ejemplo, las mutaciones que afectaban a un gen llamado rnd eran comunes entre las cepas evolucionadas, especialmente en una de las condiciones de crecimiento.

#Mutaciones Específicas y Sus Efectos

Examinamos los tipos de mutaciones que surgieron en las cepas evolucionadas para entender mejor sus roles. El gen más frecuentemente mutado fue rnd. Se sabe que este gen desempeña un papel significativo en la capacidad de la bacteria para manejar el ARN, la molécula que juega un papel vital en la expresión de los genes.

Curiosamente, las mutaciones en rnd fueron más frecuentes en cepas cultivadas en medio definido. En contraste, también notamos que las mutaciones en otros genes ocurrían más a menudo en cepas cultivadas en medio complejo. Esto señala cómo el entorno podría influir en qué mutaciones pueden ser beneficiosas para las bacterias.

Además, observamos que ciertas mutaciones estaban estrechamente relacionadas con genes específicos eliminados. Por ejemplo, numerosas cepas que provenían de la misma cepa ancestral mostraron mutaciones similares, lo que indica que podrían servir para compensar la pérdida funcional causada por las eliminaciones.

Además de buscar mutaciones en genes específicos, también evaluamos qué tan rápido ocurrieron estos cambios. Encontramos que la tasa de mutaciones era algo similar entre diferentes cepas y entornos. Sin embargo, notamos que ciertos ancestros tenían variaciones en las tasas de mutación, lo que podría sugerir que los antecedentes genéticos influyen en qué tan bien un organismo se adapta después de la reducción del genoma.

#Analizando Cambios en el Fitness

Después de realizar un análisis más detallado, descubrimos que algunas cepas no mostraron ganancias significativas en fitness tras las eliminaciones. Por ejemplo, una cepa (MGD9) tenía un gran defecto de fitness en un entorno y no mejoró después de la evolución. En contraste, la cepa MGD12 mostró una disminución en el fitness cuando se eliminó rnd, a pesar de haber sido parte de una trayectoria evolutiva exitosa anteriormente.

Esta inconsistencia destacó que, aunque la evolución en laboratorio fue útil para mejorar el fitness, no garantiza que todas las cepas se beneficien por igual de las mutaciones. La naturaleza de las eliminaciones y el trasfondo genético parecían desempeñar roles vitales en cómo cada cepa se adaptó con el tiempo.

#Recuperación del Fitness y Perspectivas Genéticas

En general, el experimento de evolución reveló que muchas cepas podían recuperar el fitness perdido, lo que nos permitió aprender más sobre los efectos de la eliminación de genes. A lo largo del proceso, vimos consistentemente ciertas mutaciones en algunos genes, lo que sugiere que las estrategias de recuperación del fitness a menudo involucran vías similares.

Por ejemplo, diversas mutaciones se relacionaron con el ARN pequeño AbsR28 y el gen rpoD, que es importante para regular cómo se activan y desactivan los genes. Se hizo evidente que, aunque las mutaciones de fondo podían diferir entre cepas, la respuesta fundamental a la pérdida de genes tenía similitudes en muchas cepas.

También investigamos cómo las eliminaciones de genes impactaron la capacidad de adaptación de diferentes cepas a lo largo del tiempo. Los datos indicaron que, si bien la evolución podría compensar algunas pérdidas de genes, aún había límites sobre hasta dónde podía llegar. Algunas cepas perdieron funciones esenciales que no podían ser fácilmente reemplazadas por mutaciones en otros lugares de sus genomas.

#Conclusión

Este estudio destacó el potencial y los desafíos de la simplificación del genoma y la evolución en laboratorio. Si bien reducir la complejidad del genoma de Acinetobacter baylyi mostró caminos prometedores para la recuperación del fitness, también subrayó las complejidades involucradas en el proceso.

Entender el papel de mutaciones clave y cómo contribuyen a la mejora del fitness puede ayudar en futuros esfuerzos de biología sintética. Es esencial reconocer qué genes desempeñan roles críticos en la supervivencia y cómo eliminarlos puede afectar la robustez general del organismo. De cara al futuro, los investigadores pueden centrarse en identificar mutaciones que brinden beneficios de fitness mientras son conscientes de los posibles inconvenientes de la eliminación extensa de genes.

Al seguir investigando estos temas, los científicos pueden trabajar para crear microorganismos más eficientes para diversas aplicaciones, avanzando aún más en nuestra comprensión de la ingeniería genética y la adaptabilidad microbiana.