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Los científicos construyen proteínas sintéticas que sustentan la vida


En un logro sin precedentes que podría ayudar a los científicos a “construir” nuevos sistemas biológicos. Los científicos de la Universidad de Princeton han construido por primera vez, las proteínas artificiales que permiten el crecimiento de las células vivas.

El equipo de investigadores crearon secuencias genéticas nunca antes vistas en la naturaleza, y los científicos demostraron que se pueden producir sustancias que sustentan la vida en las células, casi tan fácilmente como las proteínas producidas por las herramientas propias de la naturaleza.
“Lo que tenemos aquí son máquinas moleculares que funcionan bastante bien dentro de un organismo vivo a pesar de que fueron diseñadas desde cero y expresada a partir de genes artificiales”, dijo Michael Hecht, profesor de química en Princeton, quien dirigió la investigación. “Esto nos dice que el juego de piezas moleculares de la vida no tiene por qué limitarse a las partes – los genes y las proteínas. – que ya existen en la naturaleza”.

El trabajo, dijo Hecht, representa un avance significativo en la biología sintética, un área emergente de investigación en que trabajan los científicos para diseñar y fabricar componentes y sistemas biológicos que no existen en el mundo natural. Uno de los objetivos de campo es el desarrollo de un genoma enteramente artificial, compuesto de patrones únicos de productos químicos.

“Nuestro trabajo sugiere”, dijo Hecht, “que la construcción de los genomas artificiales capaces de sostener la vida celular puede estar al alcance.”
Casi todo el trabajo previo de la biología sintética se ha centrado en la reorganización de piezas extraídas de los organismos naturales. En cambio, dijo Hecht, los resultados descritos por el equipo muestran que las funciones biológicas pueden ser proporcionadas por macromoléculas que no fueron tomadas de la naturaleza, pero sí diseñadas en el laboratorio.
Aunque los científicos han demostrado previamente que las proteínas pueden ser diseñadas para incorporarlas y, en algunos casos, catalizar las reacciones; el trabajo del equipo de Princeton representa una nueva frontera en la creación de estas proteínas sintéticas.
La investigación, que llevó a cabo Hecht con tres antiguos estudiantes de Princeton y un ex estudiante postdoctoral, se describe en la revista en línea PLoS ONE, publicado por la Public Library of Science.
Hecht y los estudiantes analizaron la relación entre los procesos biológicos a escala molecular y los procesos que trabajan en una magnitud mayor. Por ejemplo, se está estudiando cómo el plegamiento de las proteínas errantes en el cerebro puede conducir a la enfermedad de Alzheimer, y está involucrado en la búsqueda de compuestos para frustrar ese proceso. En un trabajo que se relaciona con el nuevo documento, Hecht y sus estudiantes también están interesados en aprender como los procesos conducen la rutina de incorporación de las proteínas a nivel básico y por qué ciertas secuencias clave han evolucionado para ocupar un lugar central a la existencia.
Las proteínas son los caballos de batalla de los organismos, producido a partir de instrucciones codificadas en el ADN celular. La identidad de cualquier proteína dada es dictada por una secuencia única de 20 productos químicos, conocidos como aminoácidos. Si los aminoácidos diferentes se pueden identificar con las letras de un alfabeto, cada secuencia de proteica constituye su propia y única “frase”.
Y, si una proteína es de 100 aminoácidos de longitud (la mayoría de las proteínas son incluso más largas), hay un número astronómicamente grande de posibilidades de secuencias de proteínas diferentes, dijo Hecht. En el centro de investigación de su equipo la pregunta fue cómo hay sólo cerca de 100.000 diferentes proteínas producidas en el cuerpo humano, cuando hay un potencial para muchas más. Se preguntaban, ¿son estas proteínas particulares de alguna manera especiales? O puede que otros trabajen igual de bien, a pesar de que la evolución no ha tenido todavía la oportunidad de probarlas?
Hecht y su grupo de investigación se dedicaron a la creación de proteínas artificiales codificadas por secuencias genéticas que no se ven en la naturaleza. Produjeron aproximadamente 1 millón de secuencias de aminoácidos que fueron diseñadas para incorporarse en estructuras estables de tres dimensiones.
“Lo que creo más intrigante de nuestro trabajo es que la información codificada en los genes artificiales es completamente nueva, que no viene, ni está significativamente relacionada con la información codificada por genes naturales, y sin embargo el resultado final es un microbio con vida y funcional”, dijo Michael Fisher, co-autor del trabajo que obtuvo su doctorado en Princeton en 2010 y ahora es un compañero postdoctoral en la Universidad de California-Berkeley. “Tal vez sea análoga a la de tomar una frase, o sea, dar con palabras nuevas, probando si alguna de nuestras palabras nuevas puede tomar el lugar de cualquiera de las palabras originales en la frase, y encontrar que en algunos casos, la frase mantenga prácticamente el mismo significado, mientras incorporamos palabras nuevas”.
Una vez que el equipo había creado esta nueva biblioteca de proteínas artificiales, se insertan las proteínas en diversas cepas mutantes de la bacteria en el que ciertos genes naturales previamente había sido eliminados. Los genes naturales eliminados son necesarios para la supervivencia en un conjunto dado de condiciones, incluyendo una fuente de alimentación limitada. En estas duras condiciones, las cepas mutantes de bacteria muerta mantienten las proteínas nuevas de la colección de Hecht. Esto fue significativo porque la formación de una colonia de bacterias en estas condiciones selectivas sólo podría darse si una proteína de la colección tuvo la capacidad para sostener el crecimiento de las células vivas.
En una serie de experimentos que exploran el papel de las diferentes proteínas, los científicos demostraron que diferentes cepas de bacterias que deberían haber muerto fueron rescatadas por las nuevas proteínas diseñadas en el laboratorio. “Estas proteínas artificiales no tienen relación con ninguna de las secuencias biológicas conocidas, sin embargo, sustentaron la vida”, dijo Hecht.
Kara McKinley (co-autora en el equipo de investigación [1]) dijo: “Este es un resultado interesante, porque muestra que las proteínas no naturales puede sostener un sistema natural, y que esas proteínas se pueden encontrar en frecuencia relativamente alta en una biblioteca diseñada sólo para la estructura.”
Además de Hecht, Fisher y McKinley, otros autores del trabajo incluyen Lucas Bradley, un ex estudiante postdoctoral en el laboratorio de Hecht, quien es ahora profesor asistente en la Universidad de Kentucky, y Sara Viola, una graduada del 2008 de Princeton que es ahora una médica estudiante en la Universidad de Columbia.
La investigación fue financiada por la National Science Foundation.
[1] También co-autora y graduada de Princeton en el 2010 que es ahora está haciendo un doctorado en el Instituto de Tecnología de Massachusetts.
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Original en inglés: Science Daily

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