Gráfico: Este sistema consiste en una molécula de ADN circular y un sistema personalizado de expresión génica libre de células de E. coli, que incluye la ARN T7polimerasa y dNTPs. El ADN circular contiene los genes phi29,ADN polimerasa y recombinasaCre bajo el promotor T7 y el sitio loxP para la recombinación por recombinasaCre. En primer lugar, la ADN polimerasa phi29 y la recombinasaCre se expresan a través de la transcripción y la traducción. A continuación, la ADN polimerasa phi29 expresada inicia la replicación del círculo para producir un ADN largo de cadena simple, luego sintetiza la hebra complementaria para producir ADN largo de doble cadena. Finalmente, la recombinasaCre traducida cataliza la recombinación homóloga en sitios loxP para reproducir ADN circular. Cuando se encapsula este sistema a microescala en gotas y continúa la replicación durante muchas generaciones a través del ciclo de dilución en serie mediante el suministro del sistema de expresión génica libre de células, el ADN acumula mutaciones para replicándose a través de la evolución darwiniana
ADN artificial puede replicarse y evolucionar fuera de la célula
22 de noviembre 22 de 2021| Historia original de la Agencia Japonesa de Ciencia y Tecnología
El profesor Norikazu Ichihashi y sus colegas de la Universidad de Tokio han inducido con éxito la expresión génica a partir de un ADN, característico y la evolución a través de la replicación continua extracelularmente utilizando materiales libres de células solos, como ácidos nucleicos y proteínas por primera vez.
La capacidad de proliferar y evolucionar es una de las características definitorias de los organismos vivos. Sin embargo, no se han creado materiales artificiales con estas características. Para desarrollar un sistema molecular artificial que pueda multiplicarse y evolucionar, la información (genes) codificada en el ADN debe traducirse en ARN, las proteínas deben expresarse y el ciclo de replicación del ADN con esas proteínas debe continuar durante un largo período en el sistema.
Hasta la fecha, ha sido imposible crear un sistema de reacciones en el que se expresen los genes necesarios para la replicación del ADN mientras esos genes simultáneamentellevan a cabo su función.
El grupo logró traducir los genes en proteínas y replicar el ADN circular original con las proteínas traducidas mediante el uso de un ADN circular portador de dos genes necesarios para la replicación del ADN (ADN genómico artificial) y un sistema de transcripción-traducción libre de células(1). Además, también mejoraron con éxito el ADN para evolucionar a un ADN con un aumento de 10 veces en la eficiencia de replicación al continuar este ciclo de replicación del ADN durante aproximadamente 60 días.
Al agregar los genes necesarios para la transcripción y traducción al ADN genómico artificial desarrollado por el grupo.En el futuro, podría ser posible desarrollar células artificiales que puedan crecer de forma autónoma simplemente alimentándolas con compuestos de bajo peso molecular, como aminoácidos y nucleótidos.
Si se pueden crear tales células artificiales, podemos esperar que las sustancias útiles que se producen actualmente utilizando organismos vivos (como las sustancias para el desarrollo de medicamentos y la producción de alimentos) se vuelvan más estables y fáciles de controlar.
Esta investigación fue dirigida por el profesor Norikazu Ichihashi, director de investigación del proyecto “Desarrollo de un sistema de replicación-transcripción-traducción del genoma artificial auto regenerativo”, en el área de investigación “Síntesis del genoma a gran escala y programación celular” bajo los Programas Estratégicos de Investigación Básica CREST (Teamtype) del JST. En esta área de investigación, JST tiene como objetivo dilucidar los principios básicos en relación con la estructura y función de los genomas para la creación de una tecnología de plataforma para el uso de células.
Un sistema de transcripción y traducción sin células
Una solución de reacción que contiene todos los factores necesarios para la transcripción de ARN de genes codificados en el ADN y la traducción en proteínas fuera de la célula. El presente estudio utilizó el sistema PURE reconstituido (Shimizu et al. NatBiotechnol. 2001), compuesto completamente de proteínas purificadas conocidas y ARN. Por lo tanto, el sistema está libre de elementos desconocidos. Este sistema fue desarrollado por YoshihiroShimizu (RIKEN Center forFrontierBiosciences) y sus colegas en el laboratorio de TakuyaUeda en la Universidad de Tokio.
Referencia
Okauchi H, Ichihashi N. Continuous Cell-Free Replication and Evolution of Artificial Genomic DNA in a Compartmentalized Gene Expression System. ACS Synth Biol. 2021. doi: 10.1021/acssynbio.1c00430.
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