Investigadores diseñan bacteria E. coli más útil y resistente a virus
En un paso adelante para la ingeniería genética y la biología sintética, los investigadores han modificado una cepa de Escherichia coli que las bacterias son inmunes a las infecciones virales naturales mientras se minimiza el riesgo de que las bacterias o sus genes modificados escapen a la naturaleza.
El trabajo promete reducir las amenazas de contaminación viral al explotar bacterias para producir medicamentos como la insulina y otras sustancias útiles, como los biocombustibles. Actualmente, los virus que infectan los contenedores de bacterias pueden detener la producción, comprometer la seguridad de los medicamentos y costar millones de dólares.
Los resultados se publican el 15 de marzo en Naturaleza.
«Creemos que hemos desarrollado la primera tecnología para diseñar un organismo que no puede ser infectado por ningún virus conocido», dijo el primer autor del estudio, Akos Nyerges, investigador de genética en el laboratorio de George Church en el Instituto Blavatnik de Harvard. Escuela de Medicina e Instituto Wyss de Ingeniería Biológicamente Inspirada.
No podemos decir que sea completamente resistente a los virus, pero hasta ahora, según extensos experimentos de laboratorio y análisis informáticos, no hemos encontrado ningún virus capaz de romperlo».
Akos Nyerges, primer autor del estudio
El trabajo también proporciona la primera medida a prueba de fallas que evita la incorporación de material genético modificado en células naturales, dijo.
Los autores dijeron que su trabajo sugiere un método general para hacer que cualquier organismo sea inmune a los virus y prevenir el flujo de genes dentro y fuera de los organismos genéticamente modificados (OGM). Tales estrategias de biocontención son de creciente interés a medida que los grupos exploran el despliegue seguro de OGM para cultivar, reducir la propagación de enfermedades, generar biocombustibles y eliminar contaminantes de ambientes abiertos.
Construyendo sobre lo que vino antes
Los resultados se basan en esfuerzos previos de ingenieros genéticos para obtener una bacteria útil, segura y resistente a virus.
En 2022, un grupo de la Universidad de Cambridge pensó que había hecho un E. coli cepa inmune al virus. Pero entonces Nyerges se asoció con el investigador Siân Owen y la estudiante graduada Eleanor Rand en el laboratorio del coautor Michael Baym, profesor asistente de informática biomédica en el Instituto Blavatnik del HMS. Cuando tomaron muestras de sitios locales llenos de E. coli, incluyendo gallineros, nidos de ratas, aguas residuales y el río Muddy en la calle del campus de HMS, descubrieron virus que aún podrían infectar a las bacterias modificadas.
Descubrir que las bacterias no eran del todo resistentes a los virus «fue una decepción», dijo Nyerges.
El método original implicaba la reprogramación genética. E. coli para producir todas sus proteínas vitales a partir de 61 conjuntos de bloques de construcción genéticos, o codones, en lugar de los 64 naturales. La idea era que los virus no podían secuestrar células porque no podían replicarse sin los codones faltantes.
Sin embargo, el equipo de HMS se dio cuenta de que eliminar los codones no era suficiente. Algunos virus trajeron su propio equipo para solucionar las piezas faltantes.
Entonces, Nyerges y sus colegas desarrollaron una forma de cambiar lo que estos codones le dicen a un organismo que haga; algo que los científicos no habían hecho hasta ahora en células vivas.
perdido en la traducción
La clave está en los ARN de transferencia o ARNt.
La función de cada ARNt es reconocer un codón específico y agregar el aminoácido correspondiente a una proteína que se está construyendo. Por ejemplo, el codón TCG le dice a su ARNt correspondiente que se una al aminoácido serina.
En este caso, el equipo de Cambridge había eliminado el TCG con el codón hermano TCA, que también se llama serina. El equipo también había eliminado los ARNt correspondientes.
El equipo de HMS ahora ha agregado nuevos ARNt filosos en su lugar. Cuando estos ARNt ven TCG o TCA, agregan leucina en lugar de serina.
«La leucina es lo más diferente posible de la serina, física y químicamente», dijo Nyerges.
Cuando un virus invasor inyecta su propio código genético lleno de TCG y TCA e intenta decirle al E. coli para producir proteínas virales, estos ARNt interrumpen las instrucciones del virus.
La inserción de los aminoácidos incorrectos da como resultado proteínas virales mal plegadas y no funcionales. Esto significa que el virus no puede replicarse y continuar infectando más células.
Sin embargo, los virus también están equipados con sus propios ARNt. Estos aún pueden transformar con precisión TCG y TCA en serina. Pero Nyerges y sus colegas han proporcionado evidencia de que los tRNA tramposos que introdujeron son tan buenos en su trabajo que dominan a sus contrapartes virales.
«Fue muy difícil y un gran logro demostrar que es posible intercambiar el código genético de un organismo», dijo Nyerges, «y que solo funciona si lo hacemos de esa manera».
El trabajo puede haber superado el obstáculo final para hacer que una bacteria sea inmune a todos los virus, aunque todavía existe la posibilidad de que surja algo que pueda romper la protección, dijeron los autores.
El equipo confía en saber que superar los codones intercambiados requeriría que un virus desarrolle docenas de mutaciones específicas al mismo tiempo.
«Es muy, muy poco probable para la evolución natural», dijo Nyerges.
Medidas de seguridad
La obra incorpora dos garantías separadas.
El primero protege contra la transferencia horizontal de genes, un fenómeno constante en el que se transfieren fragmentos del código genético y los rasgos que lo acompañan, como la resistencia a los antibióticos, de un organismo a otro.
Nyerges y sus colegas cortocircuitaron este resultado al hacer sustituciones en los genes de la versión modificada. E. coli células para que todos los codones que piden leucina sean reemplazados por TCG o TCA -; los codones que en un organismo no modificado requerirían serina. Las bacterias aún producían leucina correctamente en estos lugares debido a sus ARNt engañosos.
Si otro organismo incorporara uno de los extractos modificados en su propio genoma, los ARNt naturales del organismo interpretarían TCG y TCA como serina y terminarían con proteínas no deseadas que no confieren ninguna ventaja evolutiva.
«La información genética será un galimatías», dijo Nyerges.
Asimismo, el equipo demostró que si uno de los E. coliLos ARNt del tramposo se transfieren a otro organismo, leyendo mal los codones de serina mientras que los codones de leucina dañan o matan la célula, evitando su propagación.
«Cualquier ARNt modificado que se escape no irá muy lejos porque es tóxico para los organismos naturales», dijo Nyerges.
El trabajo representa la primera tecnología que impide la transferencia horizontal de genes de organismos genéticamente modificados a organismos naturales, dijo.
Para el segundo sistema a prueba de fallas, el equipo diseñó las propias bacterias para que no pudieran vivir fuera de un entorno controlado.
El equipo usó la tecnología existente desarrollada por el laboratorio de la Iglesia para hacer el E. coli depende de un aminoácido hecho en el laboratorio que no existe en la naturaleza. Los trabajadores que las cultivan E. coli producir insulina, por ejemplo, los alimentaría con el aminoácido no natural. Pero si las bacterias escaparan, perderían el acceso a este aminoácido y morirían.
Por lo tanto, ningún ser humano u otra criatura corre el riesgo de infectarse con «superbacterias», apuntó Nyerges.
Nyerges está emocionado de explorar la reprogramación de codones como una herramienta para persuadir a las bacterias para que produzcan materiales sintéticos médicamente útiles que de otro modo requerirían una química costosa. Todavía hay que abrir otras puertas.
«¿Quién sabe qué más?» el pensó. Acabamos de empezar a explorar.
Fuente:
Referencia de la revista:
Nyerges, A. et al. (2023) El código genético intercambiado previene las infecciones virales y la transferencia de genes. Naturaleza. doi.org/10.1038/s41586-023-05824-z.
