Prácticamente todos los organismos vivos construyen sus proteínas a partir de combinaciones de 20 aminoácidos diferentes. Para agregar nuevos aminoácidos a la mezcla, los científicos han rediseñado genes y otras partes de la maquinaria de construcción de proteínas, lo que ha dado como resultado proteínas con propiedades químicas únicas útiles para fabricar medicamentos. Pero el trabajo es laborioso y, por lo general, solo se puede agregar un nuevo aminoácido a la vez.
Ahora, los investigadores han abierto las compuertas para hacer mucho más. Informan hoy que una amplia reescritura del genoma de una bacteria les permite agregar numerosos aminoácidos nuevos a una proteína. El trabajo podría abrir nuevas formas de sintetizar antibióticos y fármacos antitumorales.
“Estoy muy impresionado con este artículo”, dice Chang Liu, biólogo sintético de la Universidad de California en Irvine. “Es un hito importante en el arco de la reingeniería del código genético”.
El nuevo esfuerzo ha estado en marcha durante décadas. Un enfoque temprano para crear proteínas de diseño ha sido apoderarse de los componentes celulares productores de proteínas y hacer que inserten aminoácidos no naturales. Cuando las células producen proteínas, el código de ADN de A, C, G y T se copia primero en ARN (en el que U reemplaza a T). El ARN se lee como una serie de palabras de tres letras, conocidas como codones, la mayoría de las cuales codifican uno de los 20 aminoácidos naturales que se insertan en la proteína. Pero como hay 64 codones de tres letras, hay duplicados: seis codones, por ejemplo, codifican el aminoácido serina. Tres codones no codifican un aminoácido; en cambio, instruyen a las células para que dejen de producir proteínas.
Inicialmente, los investigadores insertaron aminoácidos no naturales haciendo que la maquinaria celular agregara uno cada vez que veía un codón de parada en particular. Aunque este enfoque se ha vuelto más sofisticado, generalmente solo puede insertar un aminoácido por proteína, dice Jason Chin, biólogo sintético del Laboratorio de Biología Molecular del Consejo de Investigación Médica.
Con la esperanza de agregar más, Chin y sus colegas buscaron reutilizar dos de los seis codones que normalmente codifican la serina. En un estudio de 2019, los investigadores utilizaron la herramienta de edición de genes CRISPR-Cas9 para crear una cepa de Escherichia coli conocida como Syn61. Para hacerlo, reemplazaron más de 18,000 codones de serina en el genoma de 4 millones de bases de la bacteria. Los investigadores reemplazaron UCG y UCA, y el codón de terminación UAG, con sus “sinónimos”, AGC, AGU y UAA, respectivamente. Eso significaba que la serina aún se incorporaría en los puntos correctos de las proteínas en crecimiento de Syn61. Pero los codones UCG, UCA y UAG ahora eran efectivamente “blancos” que ya no codificaban nada en la proteína y, por lo tanto, estaban listos para ser reutilizados.
Esa reutilización es lo que han logrado Chin y sus colegas. Trabajando con Syn61, los científicos eliminaron genes de moléculas llamadas ARN de transferencia (ARNt) que reconocen UGC y UCA e insertan serina en una proteína en crecimiento. También eliminaron el compuesto químico que desactiva la síntesis de proteínas en respuesta al codón de parada UAG. Luego, los investigadores volvieron a agregar genes con ARNt novedosos que insertarían aminoácidos no naturales cada vez que encontraran UGC, UCA o UAG. Finalmente, volvieron a escribir esos codones en el genoma donde querían que aparecieran aminoácidos no naturales. Eso les permitió agregar tres aminoácidos no naturales a la vez en proteínas individuales, informan los investigadores hoy en Science. También podrían escribir varias copias de cada uno.
“Realmente tuvo un impacto”, dice Abhishek Chatterjee, biólogo sintético del Boston College. Los cambios permitieron a Chin y sus colegas unir los nuevos aminoácidos en una serie de estructuras cíclicas que se asemejan mucho a los antibióticos y fármacos antitumorales existentes. Y debido a que hay docenas de diferentes aminoácidos no naturales para elegir, se podrían insertar innumerables combinaciones de esta manera. Eso abre la puerta a la creación de vastas bibliotecas de posibles nuevos medicamentos, dice Chatterjee. Chin agrega que los investigadores también pueden extender la estrategia para reutilizar otros codones redundantes para agregar aún más aminoácidos nuevos, y más variedad química, a la mezcla.
Quizás igual de interesante, dice Liu, fue lo que los cambios genéticos al por mayor significaron para los virus que normalmente infectan a E. coli. En 2013, los investigadores informaron que la reingeniería de los codones de parada de E. coli podría interrumpir la capacidad de los virus para replicarse. Eso ocurrió porque los virus dependen de los codones naturales de E. coli para producir proteínas funcionales. La estrategia no fue infalible para detener las infecciones virales, porque los codones de parada no ocurren con tanta frecuencia y algunos virus pudieron evolucionar para evitar los cambios.
Pero los virus generalmente requieren muchas más serinas en cada proteína. Debido a que el Syn61 modificado ya no insertaba serina cuando su maquinaria de construcción de proteínas leía los codones UCG o UCA, los virus no podían hacer que Syn61 construyera proteínas virales funcionales, evitando así que se reproduzcan en las células bacterianas.
“Esto parece mucho más sólido” que el enfoque anterior, dice Liu. Eso, agrega, podría ser una bendición para las empresas de biotecnología que buscan salvaguardar organismos diseñados que producen medicamentos u otros químicos valiosos.
Fuente: Science.
