En un paso adelante para la ingeniería genética y la biología sintética, un grupo de investigadores modificó una cepa de la bacteria Escherichia coli (E. coli) para que sea inmune a las infecciones virales naturales y al mismo tiempo minimicen el potencial de que la bacteria o sus genes modificados escapen a la naturaleza. El trabajo promete reducir las amenazas de contaminación viral al aprovechar las bacterias para producir medicamentos como la insulina y otras sustancias útiles, como biocombustibles. Actualmente, los virus que infectan cubas de bacterias pueden detener la producción y comprometer la seguridad de los medicamentos. Los resultados se publican hoy en Nature.
«Creemos que hemos desarrollado la primera tecnología para diseñar un organismo que no puede ser infectado por ningún virus conocido«, anuncia el primer autor del estudio, Akos Nyerges, investigador en genética en el laboratorio de George Church del Instituto Blavatnik de Harvard, en la Facultad de Medicina y el Instituto Wyss de Ingeniería Biológicamente Inspirada.
Ningún ser humano ni ninguna otra criatura corre el riesgo de infectarse con «superbacterias» derivadas de este estudio con E. coli
«No podemos decir que sea completamente resistente a los virus, pero hasta ahora, en base a extensos experimentos de laboratorio y análisis computacionales, no hemos encontrado un virus que pueda romperlo«, indica Nyerges. El trabajo también proporciona la primera medida de seguridad incorporada que evita que el material genético modificado se incorpore a las células naturales, agrega.
Los autores comentan que su trabajo sugiere un método general para hacer que cualquier organismo sea inmune a los virus y prevenir el flujo de genes hacia y desde los organismos modificados genéticamente (OGM). Tales estrategias de biocontención son de creciente interés a medida que los grupos exploran el despliegue seguro de OGM para el cultivo, la reducción de la propagación de enfermedades, la generación de biocombustibles y la eliminación de contaminantes de ambientes abiertos.
Construyendo sobre lo anterior
Los hallazgos se basan en los esfuerzos anteriores de los ingenieros genéticos para lograr una bacteria útil, segura y resistente a los virus.
En 2022, un grupo de la Universidad de Cambridge pensó que había creado una cepa de E. coli inmune a los virus. Pero luego Nyerges se asoció con la investigadora Siân Owen y la estudiante graduada Eleanor Rand en el laboratorio del coautor Michael Baym, profesor asistente de informática biomédica en el Instituto Blavatnik en el HMS. Cuando tomaron muestras de sitios locales plagados de E. coli, incluidos cobertizos de pollos, 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 completamente resistentes a los virus «fue un fastidio», recuerda Nyerges.
Eliminar los codones no es suficiente
El método inicial implicaba la reprogramación genética de E. coli para producir todas las proteínas que sustentan la vida 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 podrían secuestrar las células porque no podrían replicarse sin los codones faltantes. Sin embargo, el equipo de HMS descubrió que eliminar los codones no era suficiente. Algunos virus traían su propio equipo para sortear las piezas faltantes.
Entonces, Nyerges y sus compañeros desarrollaron una forma de cambiar lo que esos codones le dicen a un organismo que haga, algo que los científicos no habían hecho hasta este punto en las células vivas.
Perdidos en la traducción
La clave estaba 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 coincidente que se una al aminoácido serina. En este caso, el equipo de Cambridge eliminó TCG junto con el codón hermano TCA, que también requiere serina. El equipo también había eliminado los ARNt correspondientes.
El equipo de HMS agregó entonces nuevos ARNt “tramposos” en su lugar. Cuando estos ARNt ven TCG o TCA, agregan leucina en lugar de serina.
«La leucina es tan diferente de la serina como se puede obtener, física y químicamente«, comenta Nyerges.
Cuando un virus invasor inyecta su propio código genético lleno de TCG y TCA e intenta decirle a la E. coli que produzca proteínas virales, estos ARNt alteran las instrucciones del virus.
La inserción de los aminoácidos incorrectos da como resultado proteínas virales mal plegadas y no funcionales. Eso significa que el virus no puede replicarse y seguir infectando más células.
Los virus y su gran arsenal
Los virus, sin embargo, también vienen equipados con sus propios ARNt. Estos aún pueden convertir con precisión TCG y TCA en serina. Pero Nyerges y sus compañeros proporcionaron evidencia de que los ARNt engañosos que introdujeron son tan buenos en su trabajo que dominan a sus contrapartes virales.
«Fue un gran desafío y un gran logro demostrar que es posible intercambiar el código genético de un organismo«, asegura Nyerges, «y que sólo funciona si lo hacemos de esta manera«.
El trabajo puede haber superado el último obstáculo al hacer que una bacteria sea inmune a todos los virus, aunque todavía existe la posibilidad de que aparezca algo que pueda romper la protección, según los autores. El equipo confía en saber que superar los codones intercambiados requeriría un virus para desarrollar docenas de mutaciones específicas al mismo tiempo.
«Eso es muy, muy poco probable para la evolución natural«, afirma Nyerges.
Medidas de seguridad
El trabajo incorpora dos salvaguardas separadas. La primera protege contra la transferencia horizontal de genes, un fenómeno que ocurre constantemente en el que fragmentos de código genético y los rasgos que los acompañan, como la resistencia a los antibióticos, se transfieren de un organismo a otro.
Nyerges y sus compañeros cortocircuitaron este resultado al hacer sustituciones en los genes de las células de E. coli modificadas para que todos los codones que requieren leucina fueran reemplazados por TCG o TCA, los codones que en un organismo no modificado requerirían serina. La bacteria todavía producía leucina correctamente en esos lugares debido a sus ARNt tramposos.
Sin embargo, si otro organismo incorporara alguno de los fragmentos modificados en su propio genoma, los ARNt naturales del organismo interpretarían TCG y TCA como serina y terminarían con proteínas basura que no transmiten ninguna ventaja evolutiva. «La información genética será un galimatías«, según Nyerges.
Un ARNt modificado sería tóxico para los organismos naturales
De manera similar, el equipo demostró que si uno de los tRNA tramposos de E. coli se transfiere a otro organismo, su lectura errónea de los codones de serina como codones de leucina daña o mata la célula, evitando una mayor propagación. «Cualquier ARNt modificado que escape no llegará muy lejos porque es tóxico para los organismos naturales», indica Nyerges.
El trabajo representa la primera tecnología que evita la transferencia horizontal de genes de organismos modificados genéticamente a organismos naturales.
Para el segundo mecanismo de seguridad, el equipo diseñó las propias bacterias para que no pudieran vivir fuera de un entorno controlado. El equipo utilizó una tecnología existente desarrollada por el laboratorio de la Iglesia para hacer que la E. coli dependa de un aminoácido creado en laboratorio que no existe en la naturaleza. Los trabajadores que cultivan estas E. coli para producir insulina, por ejemplo, las alimentarían con el aminoácido no natural. Pero si alguna bacteria escapara, perdería el acceso a ese aminoácido y moriría.
Un campo casi inexplorado
Por lo tanto, ningún ser humano ni ninguna otra criatura corre el riesgo de infectarse con «superbacterias» derivadas de este estudio, enfatiza Nyerges.
Nyerges espera explorar la reprogramación de codones como una herramienta para persuadir a las bacterias a producir materiales sintéticos médicamente útiles que, de lo contrario, requerirían una química costosa. Aún quedan otras puertas por abrir.
«¿Quién sabe qué más podremos hacer?» reflexionó. Acabamos de empezar a explorar.
Fuente: Nature.
