Las mutaciones genéticas son esenciales para la innovación y la evolución; sin embargo, tener demasiadas (o mutaciones incorrectas) puede ser fatal. Así, investigadores de Cambridge crearon un sistema artificial para la replicación 'ortogonal' del ADN bacterias coli Pueden utilizarlo como una forma sin riesgos de generar y estudiar tales mutaciones. Es ortogonal porque está completamente separado del sistema en el que está. bacterias coli Se utiliza para copiar el genoma real que contiene los genes. bacterias coli Necesita quedarse.

Los genes del sistema ortólogo se transcriben utilizando una enzima de replicación del ADN inusualmente propensa a errores, que estimula una rápida evolución al generar muchas mutaciones aleatorias. Esto continúa por un tiempo. bacterias coliLos genes de s son replicados por la enzima natural de replicación del ADN HD. Las dos enzimas trabajan juntas, cada una haciendo su propio trabajo pero sin interferir con los genes de la otra.

Ingeniería de sobretensión rápida

Esta es una gran idea, ¿no? Los científicos lo robaron de la naturaleza. La levadura ya tiene un sistema como este, con un conjunto de genes copiados por una enzima dedicada que no replica el resto del genoma. pero bacterias coli Es mucho más fácil trabajar con él que con la levadura y puede duplicarse en 20 minutos, por lo que puedes hacer muchas iteraciones y evolucionar rápidamente.

Los investigadores crearon el sistema secuestrando fagos, un virus que infecta a los humanos. bacterias coli. Quitaron todos los genes del fago que permiten que el fago crezca sin control hasta explotar. bacterias coli La célula infectada está abierta. La ingeniería dejó sólo una hebra que contiene los genes responsables de copiar el genoma del fago. Una vez insertado este casete en bacterias coli Genoma, puede replicar simultáneamente al menos tres secuencias diferentes de genes colocados junto a él en el ADN, manteniéndolas durante más de cien generaciones, todo ello dejando atrás el resto de los genes. bacterias coli Genoma para ser copiado por otras enzimas.

Luego, los científicos ajustaron la tasa de mutación de la enzima de replicación del ADN ortólogo y finalmente la aumentaron 1.000 veces. Para probar si el sistema podría usarse para desarrollar nuevas funciones, introdujeron un gen de resistencia a un antibiótico y observaron cuánto tiempo tardaba ese gen en mutar en un gen que confiere resistencia a un antibiótico diferente. En doce días, se volvieron 150 veces más resistentes al nuevo antibiótico. También insertaron el gen que codifica la proteína verde fluorescente y aumentaron su fluorescencia más de 1.000 veces en cinco días.

Evolución de la desintoxicación

Menos de 20 páginas después, en el mismo número de Science, el laboratorio de Frances Arnold publicó un artículo que proporcionaba evidencia del poder de este enfoque. Este equipo dirigió la evolución de las enzimas a la antigua usanza: mediante rondas sucesivas de mutaciones aleatorias y la selección del rasgo deseado. Arnold ganó el Premio Nobel de Química 2018 por la evolución dirigida de enzimas, por lo que sabe de lo que habla. En este último trabajo, su laboratorio ha producido una enzima que puede degradar el metilsiloxano volátil. Cada año producimos megatones de estos compuestos que se adhieren a productos de limpieza, champús, lociones y productos industriales, pero permanecen en el medio ambiente. Contienen enlaces carbono-silicio, que nunca existieron hasta que los humanos los fabricaron hace unos 80 años; Dado que la naturaleza nunca creó estos vínculos, tampoco existe una forma natural de romperlos.

“La evolución dirigida utilizando siloxano ha sido particularmente desafiante”, señalan los autores en su introducción, por varias razones técnicas. “Comenzamos a partir de una enzima que habíamos diseñado previamente para otra química de los siloxanos; esta enzima, a diferencia de la enzima natural, mostró una pequeña cantidad de actividad en la escisión del enlace de siloxano Si-C. Todo el proyecto, desde el descubrimiento inicial hasta la comprensión Cómo medir lo que queríamos, tomó varios años”. Este es sólo el primer paso para hacer que los siloxanos sean biodegradables. Se espera que el desarrollo continuo y acelerado permitido por el nuevo sistema ortostérico facilite el desarrollo de enzimas y otras proteínas como estos que tendrán aplicaciones en la investigación, la medicina y la industria.

No tenemos (todavía) máquinas que puedan ensamblar eficientemente largos tramos de ADN o producir proteínas. Pero las células hacen estas cosas de manera muy eficiente y bacterias coli Las células se han utilizado durante mucho tiempo en el laboratorio como minifábricas, produciendo cualquier gen o proteína que los investigadores programen en ellas. ahora bacterias coli Pueden usarse para otra tarea molecular: pueden ser pequeños puntos críticos para la evolución.

Ciencia, 2024. DOI: 10.1126/ciencia.adi5554, 10.1126/ciencia.adk1281