Genome-wide engineering for synthetic auxotrophy biocontainment in yeast

Imagina un mundo donde podamos programar células vivas para realizar tareas increíbles, desde limpiar derrames de petróleo hasta fabricar medicamentos que salvan vidas. Esta es la promesa de la biología sintética. Sin embargo, liberar estos microbios diseñados en el entorno abierto conlleva un riesgo significativo: ¿qué pasaría si se escapan, se multiplican y alteran los ecosistemas naturales o transfieren sus nuevos rasgos a parientes silvestres? Para prevenir esto, los científicos están desarrollando sistemas de "biocontención", esencialmente interruptores de seguridad genética que aseguran que estos organismos solo puedan sobrevivir bajo condiciones muy específicas y controladas. Una estrategia prometedora consiste en hacer que el microbio dependa de un componente fundamental poco común que no existe en la naturaleza. Si el microbio sale del laboratorio y entra en la naturaleza, no podrá encontrar este ingrediente faltante y simplemente no podrá sobrevivir.

El desafío, sin embargo, es lograr que este interruptor de seguridad sea robusto sin ralentizar al organismo mientras realiza su trabajo. Si el mecanismo de seguridad hace que el microbio sea lento, le costará competir incluso en el laboratorio o, peor aún, podría evolucionar una forma de eludir el interruptor de seguridad solo para crecer más rápido. Un equipo de investigadores de la Universidad de Manchester, la Universidad de Wageningen e Inscripta Inc. se propuso resolver este rompecabezas en la levadura, un hongo unicelular común utilizado ampliamente en la industria. Su objetivo era crear una cepa de levadura que fuera completamente inofensiva fuera del laboratorio porque requiere un aminoácido específico y no natural para vivir, pero que crezca tan rápido como una célula de levadura normal cuando se le proporciona dicho aminoácido.

Para lograr esto, los investigadores utilizaron una técnica llamada expansión del código genético. En todos los seres vivos, las instrucciones del ADN se leen en grupos de tres letras, llamados codones, que indican a la célula qué aminoácido añadir a una proteína. Uno de estos codones, usualmente llamado señal de "parada", le dice a la célula que deje de construir la proteína. El equipo reemplazó esta señal de parada con una nueva instrucción que solo funciona si está presente un aminoácido no natural específico. Insertaron esta instrucción modificada en genes esenciales —genes tan críticos que, si dejan de funcionar, la levadura muere. En presencia del aminoácido no natural, la maquinaria de la levadura ignora la señal de parada y construye una proteína completa y funcional. Sin el aminoácido, la maquinaria se detiene prematuramente, creando una proteína rota e inútil, y la levadura muere.

La dificultad radica en elegir exactamente dónde colocar esta señal de parada. Si se coloca en el lugar equivocado, la levadura podría morir incluso cuando el aminoácido está presente, o podría sobrevivir sin él porque la proteína rota funciona lo suficientemente bien. Para encontrar los lugares perfectos, los investigadores no adivinaron; probaron miles de posibilidades a la vez. Crearon una biblioteca masiva de células de levadura, donde cada célula portaba una versión diferente de un gen esencial con la señal de parada colocada en una ubicación distinta. Utilizaron un sistema robótico de alta velocidad para realizar estos cambios en casi 400 proteínas esenciales diferentes.

El equipo luego cultivó estos miles de variantes de levadura en dos condiciones: una con el aminoácido no natural y otra sin él. Al rastrear qué versiones genéticas sobrevivieron y cuáles desaparecieron en cada entorno, pudieron identificar los interruptores de seguridad más efectivos. Descubrieron que el éxito del interruptor dependía en gran medida de la ubicación específica del cambio y de la secuencia genética circundante, más que de cuánta proteína producía la célula habitualmente. Curiosamente, descubrieron que los genes involucrados en el procesamiento de mensajes genéticos (el empalme de ARN) eran candidatos particularmente buenos para este tipo de interruptor de seguridad.

Aunque encontraron muchos interruptores individuales que funcionaban, ninguno era perfecto por sí solo. Algunos impedían que la levadura creciera demasiado bien, mientras que otros no eran lo suficientemente estrictos, permitiendo que algunas células rebeldes sobrevivieran sin el aminoácido. Para resolver esto, los investigadores combinaron múltiples interruptores. Descubrieron que colocar dos señales de parada en un solo gen esencial, específicamente en un gen llamado PRP5, creaba una barrera de seguridad mucho más estricta. Esta cepa de doble interruptor no podía escapar fácilmente del sistema de seguridad, con solo aproximadamente 2 de cada 100,000 células logrando sobrevivir sin el aminoácido.

Para llevar la seguridad aún más lejos, el equipo superpuso esta dependencia de aminoácidos con un segundo sistema de seguridad completamente diferente. Este segundo sistema dependía de una proteína que se descompone a menos que esté presente una hormona específica. Al combinar el requisito del aminoácido con este interruptor de estabilidad de proteínas, crearon una cepa de levadura con un nivel de seguridad increíblemente alto. En sus pruebas, la probabilidad de que esta levadura de doble cerradura escapara para sobrevivir en la naturaleza era tan baja que era casi indetectable, estimada en menos de 1 en 10 mil millones. Sorprendentemente, este nivel extremo de seguridad no tuvo un costo en el rendimiento; en el laboratorio, con los ingredientes requeridos presentes, estas células de levadura súper seguras crecieron tan rápido y sanas como la levadura silvestre normal.

Este trabajo demuestra que es posible construir organismos eucariotas —células complejas como la levadura y las células humanas— con sistemas de seguridad que sean extremadamente estrictos y que no dificulten su capacidad de funcionamiento. Al seleccionar cuidadosamente dónde colocar los cambios genéticos y superponer diferentes mecanismos de seguridad, los investigadores han sentado las bases para una nueva generación de biocontención. Este enfoque ofrece una forma de utilizar microbios diseñados en entornos abiertos con confianza, sabiendo que si alguna vez salen del laboratorio, simplemente serán incapaces de sobrevivir.