Algunas técnicas eran tan difíciles de explicar que los colaboradores volaron por todo el país para ver las manifestaciones en persona. Kate Adamala, Aaron Engelhart y sus equipos de la Universidad de Minnesota estaban intentando algo que nunca antes se había hecho. Estaban ensamblando una célula sintética a partir de componentes químicos no vivos purificados en lugar de comenzar con una célula existente.
Ahora, en una preimpresión publicada en bioRxiv, el equipo describe SpudCell. El sistema podría crecer, copiar su ADN, dividirse y absorber materiales frescos de estructuras cercanas similares a burbujas más pequeñas. Cuando el equipo le dio a una versión un cambio genético que le ayudó a alimentarse de manera más eficiente, esas células crecieron más rápido y se volvieron más comunes a lo largo de cinco generaciones. El trabajo acerca a los investigadores a un objetivo de larga data en biología sintética: demostrar que se pueden construir comportamientos básicos similares a los de la vida únicamente a partir de la química.
“Este es probablemente el proyecto más emocionante en el que he trabajado”, dijo Adamala en un comunicado de prensa. “Hemos replicado en química lo que antes sólo era posible en biología: el conjunto completo de comportamientos de una célula. Esto demuestra que las funciones más fundamentales de la vida, como el crecimiento y la replicación, no necesitan una misteriosa chispa mágica”.
La célula sintética SpudCell se construyó a partir de un genoma mínimo
SpudCell es un liposoma, una pequeña estructura parecida a una burbuja que contiene ADN y maquinaria de producción de proteínas. El equipo dividió su genoma en siete plásmidos de ADN en lugar de alojarlo en un cromosoma, lo que permitió a los investigadores ajustar diferentes funciones por separado.
El genoma humano tiene alrededor de 3 mil millones de pares de bases. Los biólogos habían estimado anteriormente que un genoma mínimo para una célula viva podría tener alrededor de 113.000 pares de bases. El genoma de SpudCell es más pequeño, con 90.000 pares de bases.
Para crecer, SpudCell se fusiona con liposomas alimentadores más pequeños que transportan lípidos de membrana, ribosomas, enzimas y otros materiales. Las células naturales producen muchas de esas moléculas a través del metabolismo, lo que requiere cientos de genes.
SpudCell controla ese proceso produciendo una proteína que se conecta con moléculas coincidentes en liposomas alimentadores cercanos. Cuando las dos estructuras se fusionan, SpudCell obtiene materiales que puede utilizar para crecer y mantener su maquinaria en funcionamiento.
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SpudCell se divide sin citoesqueleto
Las células naturales generalmente dependen de una maquinaria estructural interna, llamada citoesqueleto, para ayudar a organizar la división. Reconstruir esa maquinaria desde cero ha sido un desafío para los investigadores de células sintéticas porque requiere muchas piezas para funcionar juntas.
SpudCell evita ese problema mediante el uso de proteínas en la superficie de la membrana para crear una tensión física que pueda dividir la estructura similar a una burbuja.
En algunos experimentos de cinco generaciones, el equipo utilizó la división mecánica para hacer el proceso más eficiente. Luego, el equipo demostró que SpudCell también podía dividirse mediante un mecanismo codificado genéticamente.
Una ventaja genética transmitida de generación en generación
Para probar si SpudCell podía mostrar selección, el equipo cambió el gen que controla la proteína que lo alimenta. La versión alterada produjo más proteína, se fusionó con liposomas alimentadores de manera más eficiente, creció más rápido y produjo más descendencia. Después de cinco generaciones, había superado al original, especialmente cuando los nutrientes eran limitados.
El resultado demostró que una ventaja genética podría difundirse a través de un sistema químico construido en laboratorio. No fue una evolución darwiniana completa, ya que los investigadores introdujeron la mutación útil, pero sí demostró que los genes podían dar forma al crecimiento, la reproducción y el éxito de la población en un sistema sintético.
Con el tiempo, será necesario combinar los siete plásmidos en un genoma más estable. SpudCell también depende aún de liposomas alimentadores y maquinaria molecular agregada, y aún no puede reconstruir partes clave, incluidos los ribosomas.
“Este trabajo es sólo el comienzo”, añadió Adamala. “Estamos demostrando que es posible diseñar las funciones básicas de la célula”.
Si SpudCell sigue mejorando, las células construidas desde cero podrían algún día ayudar a fabricar medicamentos y materiales de forma más suave. Por ahora, ofrece a los investigadores una plataforma que pueden probar, modificar y desarrollar.
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