Aunque los investigadores insisten en que pasarán años antes de que los científicos puedan demostrar el verdadero potencial de estas técnicas para diseñar vida, en la actualidad están usando los experimentos para incrementar la comprensión fundamental de la biología celular.
Durante una visita la semana pasada de las instalaciones del instituto en Rockville, Maryland, donde los experimentos se llevan a cabo, los científicos explicaron que la célula sintética fue creada como resultado de un proyecto para aprender a conseguir que una célula con el número mínimo de genes posible se mantenga con vida. "La esperanza es que, mediante la comprensión de los principios básicos de la vida celular, seremos capaces de hacer que las células lleven a cabo más cosas", afirma John Glass, profesor en el instituto. Las células destinadas a fabricar un producto químico en particular lo crearán de forma más eficiente si los investigadores logran eliminar todos los demás procesos metabólicos que no sean esenciales. "Siempre he querido saber cómo funcionan las células, y ahora tenemos las herramientas para ello", asegura.
Una manera de averiguar cuál es el genoma mínimo sería comenzar con un microbio con el que fuese fácil trabajar en el laboratorio, como por ejemplo la levadura o la E. coli, y eliminar cada gen de uno en uno. Sin embargo este proceso lleva mucho tiempo. En vez de eso, los científicos de Venter comienzan con una secuencia del genoma de una bacteria que ya de por sí posee un genoma muy pequeño, la modifican en el ordenador para añadir o eliminar genes, después la sintetizan a partir de productos químicos, la transplantan en una célula, y ven cómo los cambios afectan a la función celular. La construcción de un genoma de este modo acelera la investigación del Instituto acerca de los genomas mínimos, señala Daniel Gibson, profesor asociado en el Instituto Venter.
El primer paso a la hora de fabricar una célula sintética es el diseño del genoma. Este proceso se realiza en el ordenador, con la secuencia de 1.077.947 letras que componen el genoma de la bacteria Mycoplasma mycoides. En sus experimentos iniciales de demostración, los investigadores suprimieron 15 genes. Y para crear una marca de agua que distinguiese el genoma sintético del natural, también hicieron algunas adiciones. Los investigadores codificaron sus nombres, una dirección URL, algunas citas, y una dirección de correo electrónico en el alfabeto de cuatro letras del ADN, y lo añadieron al genoma.
Hoy día, sintetizar piezas largas de ADN en el laboratorio resulta caro y consume mucho tiempo. Por ese motivo, los investigadores utilizaron un programa de ordenador para cortar el genoma en hasta 1.100 piezas, cada una con una longitud de aproximadamente 1.080 pares de bases, o letras. El programa de ordenador añadió secuencias pegajosas en los extremos de cada tramo que permitirían a las piezas volver a unirse de nuevo. Después, los investigadores enviaron estos 1.100 diseños a una empresa de síntesis de ADN.
Más tarde, los investigadores del instituto usaron células de levadura para coser los 1.100 fragmentos en una sola pieza circular de ADN que conforma el genoma sintético completo. Antes de que la levadura pueda hacer su trabajo, el grupo de Gibson debe hacer que los fragmentos de ADN sean compatibles con la levadura. En primer lugar, el grupo de Gibson añade a cada conjunto de ADN fragmentos de una secuencia corta de ADN que coloca los fragmentos en un bucle y hace que los fragmentos sean compatibles con las células de levadura, que han sido previamente tratadas para poder engullir ADN.
Gibson combina las células de levadura en una solución con diez tipos de fragmentos de ADN, cada una de los cuales forma una secuencia consecutiva del genoma de la Mycoplasma. Las células de levadura se encargan de colocar los fragmentos de nuevo juntos. Este proceso se repite hasta que la levadura logra unir piezas del genoma más y más grandes. Finalmente, algunas de las células de levadura habrán logrado reunir un genoma sintético completo. Después de realizar pruebas para verificar que una colonia posee el genoma bacteriano completo, los investigadores cultivan la levadura en un recipiente para que pueda multiplicarse y producir el genoma en grandes cantidades.
El paso siguiente consiste en extraer el genoma bacteriano sintético completo de la levadura y transplantarlo a células bacterianas. La extracción del genoma de la levadura y su transporte es la parte más complicada del proceso. El genoma de la mycoplasma es relativamente pequeño, aunque es una molécula enorme. La fuerza de corte del agua que se mueve alrededor de las moléculas de ADN puede acabar destruyéndola. Por tanto los investigadores inmovilizan el ADN en una pequeña bola de gel y lo llevan a otro laboratorio, donde las células receptoras de trasplante se han estado preparando. Las células receptoras, de la especie Mycoplasma capricolum, son un pariente cercano de las células cuyo genoma es la base del genoma sintético. A través de un proceso de prueba y error, los investigadores han descubierto que existe una parte particular del ciclo de crecimiento y división de las células en la que son más propensas a adquirir el ADN extranjero.
Hacer que las células receptoras adquieran el genoma sintético es, en parte, una cuestión de azar. Un investigador mezcla las células receptoras con una solución química para hacer que sus superficies sean líquidas y pegajosas, y a continuación agrega las células a la solución de ADN. Una vez mezcladas, las células pegajosas empiezan a fusionarse una con otras. A fin de mantener una forma esférica a medida que su superficie es cada vez mayor, las células toman volumen de la solución que las rodea. Por casualidad, al tiempo que se fusionan, algunas de estas megacélulas adquieren copias del genoma de la M. mycoides.
Después de unas tres horas, las células con más de un genoma se dividirán, creando una mezcla de tipos de células. Aproximadamente una de cada 100.000 células posee el genoma trasplantado, que contiene un gen de resistencia a los antibióticos. Cuando la solución de células se coloca en placas que contienen el antibiótico tetraciclina, sólo aquellas con el genoma trasplantado sobreviven. A pesar de que, inicialmente, era de una especie diferente, el genoma de la M. mycoides asume el control para crear lo que los investigadores denominan una célula sintética.
A partir de ahora, los investigadores utilizarán estas técnicas para reducir gradualmente el genoma. Actualmente están utilizando software para diseñar nuevos genomas con varios genes eliminados, y después usan su técnica para sintetizarlos y trasplantarlos. "Podemos poner a prueba una asombrosa cantidad de posibilidades en un experimento", asegura Glass. Esto les permite determinar en cuestión de semanas, en lugar de años, lo que sucede cuando, por ejemplo, 10 genes en una vía particular se expresan a diferentes niveles o son eliminados.
El desarrollo de estas técnicas costó cerca de 30 a 40 millones de dólares en financiación, procedentes principalmente de la empresa Synthetic Genomics. El coste principal de estos experimentos proviene del precio de la síntesis del ADN, que puede bajar a medida que más investigadores se convenzan del prometedor aspecto de este tipo de experimentos. "Existen otros grupos que no están realizando esta misma actividad debido al coste y a que los métodos hasta ahora han resultado muy difíciles, pero me gustaría pensar que estamos logrando simplificar dichos métodos", afirma Gibson. James Collins, profesor de la Universidad de Boston, está de acuerdo. “A medida que los costes bajen veremos cómo una serie de laboratorios comenzarán a sintetizar a esta escala. Si esta técnica es considerada como útil, lograremos llegar al punto que queremos en cuanto a costes".