Con un movimiento preciso, Li Ma, uno de los técnicos en el Instituto J. Craig Venter en Rockville, Maryland, coloca una solución de células bacterianas de color rojo cereza en un frasco que contiene una solución transparente de frágiles bucles de ADN. Estos bucles, las piezas más grandes de ADN jamás ensambladas en el laboratorio, son capaces de controlar todas las funciones normales de una célula. Sin embargo el ADN no se originó en ninguna bacteria: en lugar de eso, los científicos lo armaron a partir de productos químicos embotellados. El proceso que han desarrollado recientemente para lograr esto es el primero en producir células sintéticas capaces de sobrevivir. Algunas de las células bacterianas con las que Ma está trabajando se unirán en la solución, envolviendo al genoma sintético y después replicándose y viviendo bajo su control.

La ingeniería genética convencional es un proceso largo en el que los genes son alterados uno por uno, a menudo a lo largo de generaciones sucesivas de organismos. Eso hace que el cambio radical de un genoma sea una proposición de enormes proporciones. Sin embargo las nuevas técnicas permiten a los investigadores editar genomas en un ordenador, restando o añadiendo genes, literalmente cortándolos y pegándolos en un archivo. Es más como el tratamiento de textos que el trabajo de laboratorio tradicional, consistente en el cultivo y la detección de generaciones de organismos. Después, los investigadores pueden realizar el equivalente genético de imprimir el archivo, momento en que son capaces de transplantar el resultado—un nuevo genoma—en células ya existentes. Estos pasos aceleran dramáticamente el proceso de ingeniería; podría tomar sólo unas semanas completar los experimentos que anteriormente habrían tomado meses o años.

En última instancia, los investigadores quieren usar la biología sintética para diseñar microbios que produzcan vacunas de manera muy eficiente, combustibles limpios y otros productos. Sin embargo no pueden crear nuevos genomas a partir de cero, puesto que no saben todavía lo suficiente sobre qué genes y qué redes de genes son necesarias para sostener la vida y producir el producto deseado. "Es posible eliminar un gen y la célula sigue viviendo; al quitar un segundo gen, muere; luego retiramos un tercer gen y vive de nuevo", afirma Daniel Gibson, profesor asociado en el instituto. Por tanto, los investigadores de Venter están experimentando con la secuencia de un genoma natural. Esperan aprender más acerca de cómo funcionan los genomas y las células mediante la rápida eliminación y adición de genes en diferentes combinaciones, incorporando los nuevos genomas en las células, y luego observando cómo funcionan o no los genomas.

Revisión Genética

El proceso se inicia en el ordenador, y en él Gibson carga el genoma de la bacteria Mycoplasma mycoides. Es uno relativamente simple, que incluye sólo 1.078.809 pares de bases de ADN que componen alrededor de 900 genes. (En comparación, la bacteria E. coli tiene unos 4.400 genes.) Gibson y sus colegas han hecho algunos cambios: se han eliminado 14 genes de la secuencia y se han añadido otros. Para crear una marca de agua que distinga su creación, han desarrollado un código que convierte el inglés en el alfabeto de cuatro letras del ADN, y lo han utilizado para modificar el genoma, incorporando sus nombres, una dirección URL, unas cuantas frases, y una dirección de correo electrónico en el genoma.

Más tarde el grupo de Gibson utiliza un software para dividir el genoma modificado en 1.100 secciones, cada una de aproximadamente 1.080 pares de bases—un tamaño que se puede fabricar económicamente con un sintetizador de ADN, una máquina que une piezas de ADN a partir de pares de bases individuales suministrados en soluciones embotelladas. Finalmente, los investigadores usan células de levadura para coser estas largas secciones juntas, un trabajo que las máquinas no pueden hacer.

Gibson se arrodilla delante de un refrigerador en el laboratorio y saca 12 cajas de plástico, cada una con 96 pozos llenos de fragmentos de ADN basados en los diseños modificados por ordenador. Las apila en un banco y afirma: "Este es el genoma entero en 1.100 pedazos". Gibson utiliza una pipeta para colocar 10 fragmentos en orden y los agrega a un pequeño tubo de plástico, junto con un fragmento adicional de ADN que ayudará a tirar de la secuencia para formar un bucle. A continuación, añade las células de levadura que habían sido tratadas para que puedan tomar los pedazos de ADN. "Cada célula de levadura piensa que estos trozos de ADN son parte de su propio cromosoma, y que está roto", señala. "Quiere volver a unirlo". Los investigadores diseñaron los fragmentos de ADN de manera que los que se han unido entre sí terminen con secuencias coincidentes. La levadura une los 10 fragmentos, haciendo coincidir estas secuencias para producir bucles de ADN con 10.000 pares de bases cada uno. Al repetir el proceso se vinculan las secuencias de 10.000 pares de bases para formar segmentos del genoma de 100.000 pares de bases. Después de un tercer paso, la levadura logra coser el genoma sintético completo. Usando métodos ya establecidos, los genomas sintéticos se extraen de la levadura.

La manipulación del ADN extraído requiere un cuidado considerable: incluso un pequeño genoma es una molécula gigante, frágil. "Se romperá en 100 pedazos con sólo mirarlo mal", afirma Gibson. Si se suspende en una solución líquida, el ADN puede ser destruido simplemente con el movimiento del líquido. Así que Gibson inmoviliza los genomas en agarosa, un gel derivado de algas de uso general como medio para los microbios. Encerrados en esta protección, pueden almacenarse con seguridad hasta que los investigadores estén listos para trasplantarlos en las células receptoras.

Trasplantes Diminutos

En un laboratorio al final del pasillo, Ma ha preparado las células que van a recibir la nueva secuencia: una especie de bacteria llamada Mycoplasma capricolum que está estrechamente relacionada con la especie de la que deriva el genoma sintético. Al tiempo que una enzima degrada la agarosa y lleva a estado líquido el ADN en un tubo de ensayo, Ma toma otro tubo de ensayo y mezcla las bacterias con cloruro de calcio y glicol de polietileno, un cóctel que los investigadores creen que hace que las superficies de las células se vuelvan maleables y pegajosas. Ahora es una cuestión de suerte y mano firme. Ma coloca un poco de la mezcla de células en el vial que contiene los bucles del genoma sintético. Las células pegajosas comienzan la fusión con otras. Para mantener su forma esférica después de la fusión, deben tomar volumen de la solución que las rodea. Cuando esto ocurre, algunas células—aproximadamente una de cada 100.000—también toma el genoma sintético. El resultado es una especie de supercélula con tres genomas—el genoma sintético y uno de cada una de las dos células. Más tarde, la supercélula se divide en tres células más pequeñas, una de las cuales contiene el genoma sintético.

Ma coloca la solución de células en placas de cultivo que contienen un antibiótico al que sólo son resistentes las células con el genoma sintético (durante el proceso de edición del genoma, los investigadores agregaron un gen que las hace impermeables a él). Esas células lograrán vivir, creciendo y dividiéndose bajo el control del nuevo genoma. El resto mueren, dejando tras de sí una colonia pura de células sintéticas.

El siguiente paso para los investigadores del Instituto Venter es utilizar sus técnicas de edición, síntesis y trasplante genómico para diseñar y probar genomas con cada vez menos genes. El objetivo es crear una célula "mínima"—una con sólo los genes que necesite para sobrevivir. Este célula podría ser más fácil de alterar mediante ingeniería genética que una natural.

Los métodos de los investigadores son actualmente muy caros: cuesta de 300.000 a 500.000 dólares hacer y trasplantar un genoma sintético si los investigadores sintetizan el ADN ellos mismos, o cerca de tres veces esa cantidad si lo compran a un proveedor externo. Sin embargo, el precio de la síntesis de ADN está cayendo y puede continuar disminuyendo aún más a medida que aumente la demanda y la tecnología mejore. Si eso sucede y las técnicas de construcción de genomas prueban ser tan útiles como los investigadores de Venter esperan, más personas comenzarán a adoptar sus métodos, afirma James Collins, profesor de ingeniería biomédica en la Universidad de Boston.

"Este es un avance significativo para la biología sintética", asegura Collins. "Ahora tenemos que ver, ¿cuáles son los cambios que pueden introducirse en el genoma?"