Por Robert F. Servicio
Las enzimas que escriben ADN podrían revolucionar la
biología sintética y el almacenamiento de datos. SERVICIOS CREATIVOS DE EDUARDO
DE UGARTE / BERKELEY LAB.
Crear un nuevo gen en un solo día pronto podría ser posible,
gracias a una nueva técnica que imita la forma en que el cuerpo copia su propio
ADN. Aunque la tecnología necesita despejar algunos obstáculos más, algún
día podría permitir a los investigadores reescribir rápidamente los genes
microbianos, lo que les permite sintetizar nuevos medicamentos y combustibles
sobre la marcha.
"Es el futuro", dice George Church, un genetista
de la Universidad de Harvard que ha sido pionero en numerosas tecnologías para
leer y escribir ADN para la biología sintética. "Esto va a ser
enorme".
Los investigadores han podido hacer ADN desde la década de
1970. El enfoque tradicional toma nucleótidos de ADN -las letras químicas
A, G, C y T- y los agrega, uno por uno, a una cadena en crecimiento llamada
oligonucleótido u oligo. Pero el proceso, que utiliza una serie de
reactivos orgánicos tóxicos, suele ser lento y propenso a errores, lo que
limita los oligos a unas 200 letras, una pequeña fracción de las miles de
letras que componen la mayoría de los genes.
Nuestras células hacen el ADN de manera diferente. Una
variedad de enzimas llamadas polimerasas leen una sola cadena de ADN y luego
sintetizan una cadena complementaria que se une a ella. Eso ha provocado
sueños de reingeniería de polimerasas para escribir nuevo ADN.
Durante décadas, la mayoría de los investigadores se han
establecido en una polimerasa particular, llamada desoxinucleotidil transferasa
terminal (TdT), porque, a diferencia de otras polimerasas, puede unir nuevos
nucleótidos a una cadena oligoidea sin seguir una cadena molde de
ADN. Natural TdT hace esto para escribir millones de nuevas variaciones de
genes para anticuerpos, que el sistema inmunitario puede seleccionar para
atacar a los invasores. Pero la enzima natural agrega nuevas letras de ADN
al azar, en lugar de controlar la secuencia precisa de letras que los
investigadores quieren hacer.
Los científicos han intentado durante años hacer que TdT
agregue un nucleótido a la vez y se detengan, antes de repetir el proceso con
un nucleótido diferente, dice Sebastian Palluk, Ph.D. estudiante que
trabajó en el proyecto en el laboratorio del químico Jay Keasling en el
Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley en California. Empezaron agregando
grupos químicos a las cuatro bases del ADN que actúan como señales de
"alto". Entonces, cuando TdT agrega una A modificada a un oligo
de cualquier longitud, se le impediría agregar la siguiente base. El oglio
se pesca, se lava y se trata con otro compuesto para cortar el grupo de bloqueo
y prepararlo para la próxima extensión.
Pero TdT no funciona bien con estos nucleótidos
modificados. "TdT es muy exigente", dice Palluk. Uno de
estos sistemas, por ejemplo, requirió
alrededor de una hora para agregar cada base modificada, demasiado
lento para ser práctico.
Palluk dice que también intentó hacer que este enfoque
funcionara. "Fui por esa ruta durante 2 años", dice. Pero
llegó a hablar con Daniel Arlow, un compañero Ph.D. estudiante en el
laboratorio de Keasling que también estaba tratando de usar enzimas para
sintetizar ADN. Eventualmente, la pareja se decidió por un enfoque
novedoso. Comienzan con cuatro grupos separados para las cuatro bases
separadas, cada una con copias de TdT unidas a A, G, C o T. Para hacer crecer
su oligo, agregan una base de uno de los grupos. Después de que TdT agrega
la base al extremo del oligo, permanece atado, bloqueando cualquier copia
adicional de la enzima que reaccione con el oligo y lo extienda aún
más. Los oligos ahora se pescan y las ataduras se cortan. El TdT
libre se borra, y el oligo está listo para agregar la siguiente base.
En última instancia, el enfoque debería ser barato, dice
Keasling, porque TdT es fácil de fabricar en bacterias y
levaduras. También es rápido. La mayoría de los nuevos nucleótidos se
unen al oligo en crecimiento en 10 a 20 segundos, informan hoy Palluk, Arlow,
Keasling y sus colegas en Nature Biotechnology . Por ahora, el
paso para cortar la cuerda aún toma un minuto. Entonces, sintetizar un gen completo
probablemente tomará la mayor parte del día .
Church says the new approach is not quite ready to dethrone
conventional DNA synthesis. So far, the group has made oligos only 10 bases
long. And there are still a few writing problems, as the approach was only 98%
accurate at writing DNA in the desired sequence, below the 99% accuracy of the
traditional approach. “It’s cool for a first demonstration,” Palluk says. “But
it’s not quite there yet.”
Para escribir oligos de hasta 1000 bases de largo, es
probable que el enfoque tenga una precisión del 99.9%. Si llega allí,
Church dice que podría ayudar a revolucionar no solo los esfuerzos de la
biología sintética para escribir y probar nuevos genes, sino también permitir
esfuerzos para escribir bibliotecas masivas de datos en ADN para crear
un archivo compacto que sirva como fuente de información proveniente de
proyectos científicos gigantescos. como las encuestas de astronomía, que luego
podrían pescarse y leerse más tarde.
* Corrección, 18 de junio, 3:30 p.m .: una versión
anterior de esta historia malinterpretó la afiliación de Jay Keasling. Mientras
él es profesor en la Universidad de California, Berkeley, esta investigación se
llevó a cabo en su laboratorio en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley.
