El genoma artificial es una dirección en la investigación biológica asociada con la modificación genética de organismos existentes para crear organismos con nuevas propiedades. A diferencia de la ingeniería genética , un genoma artificial consta de genes sintetizados químicamente.
Se supone que, en el futuro, se podrán crear genomas artificiales que no se basen en el ADN ni utilicen un conjunto diferente de nucleótidos y otros principios de codificación que en los genomas naturales. Así, la creación de genomas artificiales es una de las áreas de la biología sintética .
Debe entenderse que si bien estamos hablando de la síntesis de genes con códigos genéticos naturales o sus ligeras modificaciones . Es posible sintetizar un gen artificial que codifique cualquier polipéptido predeterminado , pero aún es imposible diseñar un polipéptido fundamentalmente nuevo para que al menos se pliegue en un glóbulo de proteína , sin mencionar que la proteína resultante comienza a funcionar como una enzima .
Actualmente, el mayor logro en el campo de la creación de un genoma artificial es la síntesis del cromosoma de la bacteria Mycoplasma mycoides , realizada por Craig Venter en 2010.
En 2010, el personal del Instituto Craig Venterlogró sintetizar artificialmente el cromosoma cíclico de la bacteria Mycoplasma mycoides con un tamaño de 1.077.947 pares de nucleótidos [1] . El cromosoma se implantó en una célula de la bacteria Mycoplasma capricolum , tras cuya división se formó una célula, completamente controlada por un genoma artificial.
Este genoma artificial ahora se conoce con la designación de código JCVI-syn1.0. Repite casi por completo el genoma de una de las cepas de la bacteria Mycoplasma mycoides , con la excepción de varios marcadores genéticos introducidos artificialmente ( watermark en inglés , marcas de agua ), varios genes insignificantes eliminados durante la síntesis y 19 mutaciones que surgieron durante el ensamblaje de fragmentos de ADN Las células con un genoma artificial funcionan normalmente y son capaces de múltiples divisiones.
El trabajo sobre el genoma artificial comenzó con el trabajo de Frederick Sanger y sus colaboradores, quienes en 1977 lograron establecer la secuencia de nucleótidos completa del genoma del bacteriófago φX174 con una longitud de 5375 pares de nucleótidos [2] . Dieciocho años más tarde, en 1995, el grupo de Craig Venter secuenció por primera vez el genoma de un organismo autorreplicante, la bacteria Haemophilus influenzae de 1.830.137 pares [3] .
Durante los últimos 25 años (1985-2010), la tasa de secuenciación del genoma ha aumentado en al menos 8 órdenes de magnitud. La explosión en el número de organismos cuyos genomas han sido leídos ha planteado el problema de comprender el papel biológico de cada gen en un organismo. Hasta hace poco, no estaba claro si el genoma contiene información completa sobre la estructura del organismo y si un organismo con un genoma sintetizado químicamente sería viable. Otra cuestión a la que se enfrentaba la biología molecular era si los genomas de las bacterias son los mínimos necesarios y cuál es el conjunto mínimo de genes que pueden crear una célula viva.
En 1996, Arkady Mushegyan y Evgeny Kunin ( Centro Nacional de Información Biotecnológica , EE . UU .) sugirieron que los 256 genes ortólogos compartidos por la bacteria gramnegativa Haemophilus influenzae y la bacteria grampositiva Mycoplasma genitalium son una buena aproximación al conjunto mínimo de bacterias genes celulares [4] . En 2004, un grupo de investigadores de la Universidad de Valencia ( España ) propuso un conjunto de 206 genes codificadores de proteínas obtenidos a partir del análisis de varios genomas bacterianos [5] .
Los científicos del grupo de Craig Venter han estado creando un organismo con un genoma mínimo sintetizado artificialmente desde 1995 [1] . En 1995, secuenciaron el genoma de Mycoplasma genitalium , el agente causante de enfermedades del sistema genitourinario humano, el organismo más pequeño conocido hasta la fecha que puede reproducirse. Este microorganismo contiene 517 genes, de los cuales 482 codifican proteínas . El volumen total del genoma es de 580 mil pares de nucleótidos. Para 1999 , analizando la ubicación de los transposones en genomas secuenciados, fue posible establecer que de 265 a 350 genes son vitales para un organismo, y más de 100 genes tienen un propósito desconocido [6] . Investigaciones posteriores en 2005 ampliaron la lista de genes vitales a 382 [7] .
Más tarde, se descubrieron genomas procarióticos aún más pequeños, pero todos pertenecen a simbiontes obligados, organismos incapaces de una existencia autónoma.
En 2003, se secuenció el genoma de Nanoarchaeum equitans de 490.885 pares [8] . También se ha establecido que el genoma no secuenciado de la especie Buchnera tiene una longitud de unos 450 mil pares [9] .
El más pequeño de los genomas bacterianos decodificados hasta la fecha es el genoma del endosimbionte intracelular de la bacteria Carsonella , que consta de 159.662 pares de nucleótidos y contiene solo 182 genes codificadores de proteínas. Este genoma fue secuenciado por investigadores japoneses en 2006 [10] .
El grupo de Craig Venter desarrolló una tecnología para la síntesis de grandes moléculas de ADN basada en fragmentos sintetizados químicamente de 5 a 7 mil pares de tamaño, llamados casetes . Los fragmentos fueron ensamblados en parte in vitro por enzimas apropiadas, en parte por recombinación in vivo en la célula de levadura Saccharomyces cerevisiae . El genoma sintético completo se ha clonado con éxito como un plásmido centromérico (YCp) en células de levadura [11] .
El primer intento de crear un genoma artificial, realizado en 2008, consistió en la síntesis de un cromosoma de Mycoplasma genitalium de 582.970 pares de longitud. Casetes superpuestos de 5 a 7 mil pares de tamaño, ensamblados a partir de polinucleótidos sintetizados químicamente, se combinaron secuencialmente con la ayuda de enzimas en fragmentos de 24, 72 y 144 mil pares de tamaño (1/24, 1/8 y 1/ 4 del genoma, respectivamente). El ensamblaje completo del genoma a partir de cuatro componentes se llevó a cabo por recombinación en la célula Saccharomyces cerevisiae . La secuenciación del cromosoma resultante confirmó la precisión de la síntesis. Se utilizó como prototipo la bacteria M. genitalium subespecie G37 (muestra MG408), cuya actividad patogénica fue bloqueada por un marcador especial. Para identificar el genoma artificial , se introdujeron en el ADN secuencias de nucleótidos llamadas "marcas de agua" [ 11 ] .
Surgieron ciertas dificultades durante la transferencia de un cromosoma sintético de una célula donante (levadura) a una célula receptora. Un problema aparte fue la eliminación del genoma original de la célula bacteriana para reemplazarlo por uno sintético.
En experimentos posteriores, la bacteria M. genitalium tuvo que ser abandonada como prototipo genético debido a su tasa de crecimiento extremadamente baja. En estudios realizados en 2010, se utilizó como prototipo el genoma de Mycoplasma mycoides subespecie capri ( GM12 ) y como receptor Mycoplasma capricolum subespecie capricolum (CK) .
Con el fin de desarrollar la tecnología para transferir cromosomas desde una célula de levadura a una célula receptora, se han desarrollado métodos para clonar cromosomas completos en forma de plásmidos centroméricos de levadura. El cromosoma natural de M. mycoides se utilizó como objeto de experimentación . Sin embargo, los primeros intentos de transferir el cromosoma de M. mycoides a la célula de M. capricolum fracasaron. Al final resultó que, el problema estaba en el sistema de restricción de células bacterianas . Los sistemas de restricción de M. mycoides y M. capricolum son los mismos, su ADN está metilado y no hay problemas con la transferencia directa de un cromosoma de una célula a otra [12] . El ADN clonado en levadura no está metilado y, cuando se transfiere a M. capricolum , es destruido por el sistema de restricción. Para evitar esto, el ADN del donante se metiló con metilasa purificada o un extracto de M. mycoides o M. capricolum , o simplemente se destruyó el sistema de restricción de la célula receptora [13] .
El segundo intento de sintetizar el genoma bacteriano se realizó en 2010. Se eligió como prototipo el cromosoma de la bacteria Mycoplasma mycoides (subespecie capri GM12) con un volumen de 1,08 millones de pares de nucleótidos . Este genoma artificial recibió el nombre en código JCVI-syn1.0. Para el trabajo se utilizaron dos genomas: CP001621 [14] ( base de datos GenBank ), secuenciado por el grupo de J. Glass del Instituto Craig Venter en 2007 [12] , y el genoma transgénico CP001668 [15] , secuenciado por el grupo de Villancico Lartik en 2009 [13] . Sobre la base de la muestra CP001621, se sintetizaron casetes y se usaron para una síntesis adicional. Al finalizar la secuenciación de la muestra CP001668, se realizó una reconciliación, encontrando diferencias en 95 fragmentos. Las diferencias que se encontraron biológicamente significativas se corrigieron para casetes ya sintetizados. 19 diferencias que no afectan la actividad vital de la bacteria se mantuvieron sin cambios. En cuatro regiones del genoma que no son vitales, se forman 4 etiquetas WM1-WM4 con una longitud de 1246, 1081, 1109 y 1222 pares, respectivamente. La secuencia del gen JCVI syn1.0 de M. mycoides resultante se introdujo en la base de datos GenBank con el código CP002027 [16] .