El ADN de la vida en la Tierra almacena naturalmente su información en solo cuatro sustancias químicas clave: guanina, citosina, adenina y timina, comúnmente conocidas como G, C, A y T, respectivamente.
Ahora los científicos han duplicado este número de bloques de construcción de la vida, creando por primera vez un lenguaje genético sintético de ocho letras que parece almacenar y transcribir información como el ADN natural.
En un estudio publicado el 22 de febrero en Science 1 , un consorcio de investigadores dirigido por Steven Benner, fundador de la Fundación para la Evolución Molecular Aplicada en Alachua, Florida, sugiere que un alfabeto genético expandido podría, en teoría, también respaldar la vida.
"Es un verdadero hito", dice Floyd Romesberg, biólogo químico del Instituto de Investigación Scripps en La Jolla, California. El estudio implica que no hay nada particularmente "mágico" o especial sobre esos cuatro productos químicos que evolucionaron en la Tierra, dice Romesberg. "Eso es un avance conceptual", añade.
Normalmente, cuando un par de hebras de ADN se enroscan entre sí en una doble hélice, los productos químicos en cada hebra se unen: A se une a T, y C se une con G.
Durante mucho tiempo, los científicos han tratado de agregar más pares de estos químicos, también conocidos como bases, a este código genético. Por ejemplo, Benner creó por primera vez bases "antinaturales" en la década de 1980. Otros grupos han seguido, con el laboratorio de Romesberg en los titulares en 2014 después de insertar un par de bases no naturales en una célula viva.
Pero el último estudio es el primero en demostrar sistemáticamente que las bases no naturales complementarias se reconocen y se unen entre sí, y que la doble hélice que forman mantiene su estructura.
El equipo de Benner, que incluye investigadores de diversas compañías e instituciones de EE. UU., Creó las letras sintéticas al modificar la estructura molecular de las bases regulares. Las letras de ADN se emparejan porque forman enlaces de hidrógeno: cada uno contiene átomos de hidrógeno, que son atraídos por los átomos de nitrógeno u oxígeno en su pareja. Benner explica que es un poco como los ladrillos de Lego que se unen cuando los orificios y las puntas se alinean.
Al ajustar estos agujeros y puntas, el equipo ha creado varios pares de bases nuevas, que incluyen un par llamado S y B, y otro llamado P y Z 2 . En el último artículo, describen cómo combinan estas cuatro bases sintéticas con las naturales. Los investigadores llaman al lenguaje resultante de ocho letras 'hachimoji' después de las palabras japonesas para 'ocho' y 'letra'. Las bases adicionales son cada una de forma similar a una de las cuatro naturales, pero tienen variaciones en sus patrones de unión.
Luego, los investigadores realizaron una serie de experimentos que demostraron que sus secuencias sintéticas comparten propiedades con el ADN natural que son esenciales para sustentar la vida.
Recuperación de datos
Para funcionar como un sistema de almacenamiento de información, el ADN debe seguir reglas predecibles, por lo que el equipo demostró primero que, de forma similar a las bases regulares, las bases sintéticas formaban pares de manera confiable. Crearon cientos de moléculas del ADN sintético y descubrieron que las letras se unían a sus parejas de manera predecible.
Luego demostraron que la estructura de las hélices dobles se mantuvo estable sin importar en qué orden se encontraban las bases sintéticas. Esto es importante porque para que la vida evolucione, las secuencias de ADN deben poder variar sin que la estructura completa se deshaga. Usando la difracción de rayos X, el equipo mostró que tres secuencias diferentes del ADN sintético conservaban la misma estructura cuando se cristalizaban.
Este es un avance sustancial, dice Philipp Holliger, un biólogo sintético del Laboratorio de Biología Molecular MRC en Cambridge, Reino Unido, porque otros métodos para expandir el alfabeto genético no son tan sólidos estructuralmente. En lugar de productos químicos que utilizan enlaces de hidrógeno para emparejarse, estos otros enfoques utilizan moléculas repelentes del agua como sus bases. Estos pueden colocarse a intervalos entre las letras naturales, pero la estructura del ADN se rompe si se colocan en una fila.
Finalmente, el equipo demostró que el ADN sintético podría transcribirse fielmente en ARN. "La capacidad de almacenar información no es muy interesante para la evolución", dice Benner. "Debes poder transferir esa información a una molécula que hace algo".
Convertir el ADN en ARN es un paso clave para convertir la información genética en proteínas, los caballos de batalla de la vida. Pero algunas secuencias de ARN, conocidas como aptámeros, pueden unirse a moléculas específicas.
El equipo de Benner creó ADN sintético que codifica un cierto aptámero y luego confirmó que la transcripción había ocurrido y que la secuencia de ARN funcionaba correctamente.
Holliger dice que el trabajo es un punto de partida emocionante, pero aún falta una distancia considerable antes de alcanzar un verdadero sistema genético sintético de ocho letras. Una pregunta clave, por ejemplo, será si el ADN sintético puede ser replicado por las polimerasas, las enzimas responsables de sintetizar el ADN dentro de los organismos durante la división celular. Esto se ha demostrado para otros métodos, como el de Romesberg, que utiliza bases repelentes al agua.
Variedad de vida
Aún así, Benner dice que el trabajo muestra que la vida podría ser apoyada por bases de ADN con diferentes estructuras de las cuatro que conocemos, lo que podría ser relevante en la búsqueda de firmas de vida en otras partes del Universo.
Agregar letras al ADN también podría tener más aplicaciones prácticas.
Con una mayor diversidad en los componentes genéticos, los científicos podrían crear secuencias de ARN o ADN que pueden hacer las cosas mejor que las cuatro letras estándar, incluidas las funciones más allá del almacenamiento genético.
Por ejemplo, el grupo de Benner mostró previamente que las cadenas de ADN que incluían Z y P eran mejores para unirse a las células cancerosas que las secuencias con solo las cuatro bases estándar 3 . Y Benner ha establecido una empresa que comercializa ADN sintético para uso en diagnósticos médicos.
Los investigadores podrían usar su ADN sintético para crear nuevas proteínas y ARN. El equipo de Benner también ha desarrollado pares de nuevas bases, lo que abre la posibilidad de crear estructuras de ADN que contienen 10 o incluso 12 letras. Pero el hecho de que los investigadores ya hayan expandido el alfabeto genético a ocho es en sí mismo notable, dice Romesberg. "Ya está duplicando lo que tiene la naturaleza".
