Genómica Sintética: Avances en la Ingeniería del ADN de Levadura

La Genómica Sintética es una rama de la ciencia que se enfoca en crear y modificar el ADN para construir nuevos genomas. Los científicos en este campo diseñan y construyen genomas artificiales usando ADN sintético. Aunque los investigadores han avanzado mucho, especialmente con organismos más simples como bacterias y levaduras, crear genomas sintéticos a gran escala desde cero sigue siendo una meta para el futuro.

#El Proyecto del Genoma de Levadura Sintética

El Proyecto del Genoma de Levadura Sintética, conocido como Sc2.0, tiene como objetivo crear una versión sintética del genoma de la levadura. Este proyecto introduce características de diseño distintas y alteraciones en las secuencias de ADN para construir cromosomas sintéticos. Sin embargo, aún sigue en gran medida la estructura original de los genes naturales de la levadura. La organización de los genes dentro de los genomas de levadura sigue siendo un tema complejo que no se ha explorado del todo, pero entenderlo podría llevar a nuevas formas de crear genomas de levadura sintéticos modulares.

#Reorganización y Defragmentación de Genes

Una pregunta clave en la genómica sintética es si los genes se pueden reorganizar en grupos funcionales. Esto se ha examinado en algunos genomas sintéticos, como el genoma mínimo de Mycoplasma. En este trabajo, los investigadores encontraron que alrededor del 12% de su genoma podría reorganizarse en módulos, con genes agrupados según sus funciones. Este método de reorganización se llama defragmentación, similar a organizar archivos en una computadora para hacerlas más eficientes.

En levaduras, la defragmentación significa mover genes que están dispersos en múltiples cromosomas a grupos específicos que trabajan juntos. Estudios han mostrado que ciertos genes relacionados con vías metabólicas pueden ser reubicados sin interrumpir su función, indicando que la levadura puede tolerar cambios significativos en la organización de genes.

#Grupos de genes Naturales en Eucariotas

En organismos como plantas y hongos, los grupos de genes involucrados en el metabolismo a menudo evolucionan en ciertas regiones del genoma para una mejor regulación. Sin embargo, tal agrupamiento es raro en levaduras. El grupo de genes GAL, que ayuda a la levadura a procesar galactosa, es un ejemplo donde los genes están ubicados cerca unos de otros para controlar mejor su expresión. Este arreglo ayuda a prevenir la acumulación de toxinas en las células. A pesar de las ventajas del agrupamiento en algunos casos, se necesita más investigación para entender su impacto en otras funciones metabólicas en levaduras.

#Ingeniería de Control Modular en Genomas de Levadura

Crear un sistema que permita un mejor control sobre las funciones de los genes en genomas eucariotas es otro área de interés. Esto implica usar métodos para regular conjuntos enteros de genes a través de mecanismos de largo alcance, que pueden silenciar múltiples genes a la vez. En levaduras, ya existen ciertos mecanismos regulatorios naturales, pero los investigadores están tratando de mejorarlos para lograr un control más preciso.

#Desarrollo de un Módulo Sintético TRP

En este estudio, los científicos diseñaron un módulo sintético para la vía de biosíntesis de triptófano. Utilizaron herramientas de edición genética CRISPR para eliminar los cinco genes TRP responsables de esta vía de sus ubicaciones originales y los combinaron en una nueva ubicación dentro del genoma. Este nuevo módulo fue luego probado para ver cómo su ubicación afectaba su rendimiento.

La vía de biosíntesis de triptófano requiere cinco genes, que pueden variar en importancia dependiendo de las condiciones de crecimiento. Al integrarlos en un módulo sintético, los científicos querían ver si los genes reubicados seguirían funcionando de manera efectiva.

#Analizando la Función del Módulo TRP

Para probar cuán bien funcionaba el módulo sintético TRP, se añadió una vía que produce color a la levadura. Esto permitió a los investigadores evaluar visualmente cómo se desempeñaba el nuevo módulo según los cambios de color que indicaban la disponibilidad de triptófano. Se crearon cepas de control para comparar el rendimiento del módulo TRP con las cepas estándar de levadura sin él.

Los resultados de los ensayos de crecimiento mostraron que la cepa con el módulo sintético TRP podía crecer bien en varias condiciones, aunque no alcanzó las tasas de crecimiento más altas que se observan en cepas salvajes. Esto indicó que aunque el módulo sintético funcionaba, aún había margen para mejorar.

#Niveles de Expresión de los Genes TRP

Se realizó un análisis cuantitativo de los niveles de ARNm de los genes TRP para determinar si había cambios en la expresión debido a la reubicación. Los genes TRP reubicados mostraron niveles de expresión similares en comparación con sus ubicaciones originales, lo que sugiere que la reubicación no obstaculizó significativamente su función. Sin embargo, dos de los genes TRP mostraron ligeras disminuciones en sus niveles de expresión, lo que podría explicar las diferencias observadas en el rendimiento.

En general, la reubicación del módulo TRP no impactó sustancialmente el crecimiento celular o la función. Los resultados demostraron que la levadura puede soportar cambios genómicos significativos y aún mantener funciones esenciales como la biosíntesis de aminoácidos.

#Efectos de la Agrupación de Genes en Diferentes Contextos Genómicos

Entender cómo la ubicación de los genes influye en su expresión es crucial para la biología sintética. Los investigadores buscan descubrir cómo la reubicación de módulos a varios sitios genómicos afecta su función. Un sitio que se está examinando tiene características de silenciamiento conocidas, lo que podría influir en la función de los genes integrados ahí.

Se crearon dos nuevas cepas de levaduras al reubicar el módulo TRP en diferentes posiciones dentro de un grupo de genes conocido por sus funciones metabólicas. Estas nuevas cepas se compararon con cepas de control para evaluar el crecimiento y la funcionalidad de la vía.

Ambas cepas modificadas mostraron defectos de crecimiento moderados y una reducción en la biosíntesis de triptófano en comparación con las cepas de control. Esto sugiere que reubicar el módulo TRP a un sitio con características establecidas de silenciamiento puede suprimir su función.

#Control Epigenético Sintético de Módulos

Para gestionar mejor las funciones de los módulos sintéticos, los investigadores buscaron desarrollar sistemas que permitan una regulación precisa sin alterar la secuencia de ADN. Esto implica usar mecanismos epigenéticos para influir en la expresión de los genes desde la distancia. Al manipular el entorno local de la cromatina, los científicos buscan controlar cómo se expresan los genes dentro de los módulos sintéticos.

#Apuntando al Silenciamiento en Vías Sintéticas

Se utilizó una variedad de reguladores sintéticos para explorar su efectividad en silenciar vías sintéticas. El sistema desarrollado, conocido como dCreSIR, se centró en apuntar a módulos sintéticos con secuencias integradas que permitieran la represión. Este enfoque buscó silenciar eficientemente conjuntos enteros de genes basándose en el diseño regulador.

Los experimentos demostraron que el sistema dCreSIR podía reprimir de manera efectiva la expresión de los genes en el módulo sintético TRP y controlar vías adicionales añadidas al genoma de la levadura.

#Usando Anclajes para un Silenciamiento Dirigido

Los investigadores también experimentaron con anclar físicamente módulos sintéticos a la periferia nuclear de las células de levadura. Este método buscó investigar si tal anclaje podría mejorar la represión genética aprovechando el entorno natural de silenciamiento del núcleo. Algunos de los sistemas de anclaje diseñados mostraron potencial, pero también plantearon preocupaciones sobre la interferencia con el crecimiento celular.

#Silenciando Todo un Cromosoma Sintético de Levadura

La meta final de la investigación fue extender la capacidad del sistema dCreSIR más allá del control modular al cromosoma sintético completo. El cromosoma sintético de levadura fue diseñado con múltiples sitios de acoplamiento para control regulado, permitiendo a los investigadores probar su capacidad para silenciar vastas regiones del genoma.

Las pruebas iniciales indicaron que el sistema dCreSIR podía reprimir numerosos genes a lo largo del cromosoma sintético de manera efectiva. La eficiencia del silenciamiento de genes varió según la proximidad de los sitios de acoplamiento loxPsym, subrayando la importancia de un diseño genómico estratégico.

#Conclusión: El Futuro de la Genómica Sintética

Los experimentos realizados brindan esperanza para el futuro de la genómica sintética. Muestran que remodelar el genoma de levadura es posible y que se pueden desarrollar nuevos sistemas modulares para manipular eficazmente las funciones de los genes. El sistema de silenciamiento dCreSIR representa un avance significativo en el control de vías sintéticas, lo que será valioso en la ingeniería metabólica y otras aplicaciones.

Los investigadores señalan la necesidad de más investigaciones para optimizar estos sistemas para un mejor funcionamiento. A medida que el campo avanza, es probable que surjan mejores diseños para módulos sintéticos, lo que llevará a oportunidades emocionantes para futuras investigaciones y aplicaciones prácticas en biotecnología.