Químicos diseñan unas bacterias que usan bases de ADN no naturales para producir proteínas artificiales

El genoma de cada célula presente en la Tierra utiliza cuatro bases de ADN —adenina, timina, citosina y guanina— para codificar proteínas. Durante mucho tiempo, los químicos han soñado con expandir este conjunto para crear células que trabajen con ácidos nucléicos tanto naturales como no naturales. Un mayor conjunto de bases podría permitir a las células sintetizar proteínas contenedoras de aminoácidos no naturales con nuevas funciones que podrían resultar útiles para nuevos medicamentos, vacunas y nanomateriales. Pero lo más cerca que habían estado los científicos era traducir ADN con conjuntos de bases expandidas a proteínas en tubos de ensayo.

Pero ahora, Floyd E. Romesberg del Instituto Scripps de California y sus compañeros han recorrido todo el camino al colocar un código genético expandido en una bacteria, consiguiendo que los microbios lo usen para sintetizar una proteína no natural (Nature 2017, DOI: 10.1038/nature24659).

Los investigadores consiguieron que una cepa de Escherichia coli trabajase con dNaM y dTPT3, bases aromáticas de ADN que se unen entre sí a través de un empaquetamiento complementario y fuerzas hidrofóbicas, en lugar del habitual enlace de hidrógeno que usan las bases naturales. Diseñaron la bacteria con un plásmido de ADN circular que tenía un gen de proteína verde fluorescente (GFP). Dentro de ese gen, los investigadores insertaron el par de bases no naturales dNaM-dTPT3 en un sitio donde querían incorporar un aminoácido no natural en GFP.

Los científicos modificaron la bacteria para expresar una enzima que transcribe el gen GFP a RNA mensajero con la versión RNA de NaM en el lugar correspondiente. Para permitir a la bacteria traducir el mRNA que contiene esta base no natural, los investigadores también diseñaron las células para producir RNA de transferencia que podía reconocer NaM. Durante la traducción de la proteína, en general, un anticodón de tres bases en un tRNA se une a un codón de tres bases en un mRNA, lo que hace que el ribosoma agregue un aminoácido que está unido al tRNA en la cadena de proteína en crecimiento. En el nuevo estudio, la tRNA diseñada contenía la versión RNA de TPT3 en su anticodón para unirse con NaM en el mRNA. Los científicos probaron el sistema con dos tRNAs diferentes, cada una portando un aminoácido no natural diferente —N-propargil-lisina y p-azido-fenilalanina respectivamente— y demostraron que las bacterias se añadían cada una al lugar correspondiente en el GFP. Romesberg cofundó previamente la firma biotecnológica Synthorx para comercializar este tipo de tecnología de ADN expandido.

El trabajo demuestra que los pares de bases no naturales son compatibles con la maquinaria biológica molecular presente en el interior de las células, “abriendo la puerta a una nueva etapa de expansión del alfabeto genético,” comenta Ichiro Hirao del Instituto de Bioingeniería y Nanotecnología A-STAR.

Steven A. Benner de la Fundación para la Evolución Molecular Aplicada se muestra escéptico sobre la aplicabilidad de esta tecnología. Cree que el emparejamiento hidrofóbico de bases puede funcionar solamente cuando las bases no naturales son intercaladas entre otras naturales para estabilizarse, y duda que este tipo de emparejamiento de bases sea un sistema capaz de sostener diversas formas de vida semisintética.

Por otra parte, Dieter Söll de la Universidad de Yale piensa que el trabajo es muy prometedor. “Se trata de la primera prueba real de que los seres vivos podrán fabricar proteínas personalizadas con múltiples aminoácidos no naturales en el futuro”, comenta.

Traducción al español producida por Adrián Muñoz Mateo de Divulgame.org para C&EN. La versión original (en inglés) del artículo está disponible aquí.