Este tipo de mapas se utiliza para identificar qué fragmentos del genoma son realmente necesarios para la supervivencia y hasta qué punto se resiente la célula cuando falta alguno de ellos
Tras años de desmontar pieza a pieza uno de los microbios más simples del planeta, Mycoplasma pneumoniae, se ha elaborado un inventario minucioso de qué componentes moleculares puede y no puede permitirse perder una célula viva, un conocimiento que podría acelerar la creación de “píldoras vivas” construidas a partir de este mismo microorganismo.
Los resultados permiten delimitar con precisión cuánto margen existe para editar y reprogramar la bacteria con fines terapéuticos, por ejemplo, para combatir la resistencia a antibióticos o el cáncer.
El estudio, publicado hoy en Molecular Systems Biology, presenta el mapa de “esencialidad” más completo obtenido hasta la fecha para un organismo vivo. Este tipo de mapas se utiliza para identificar qué fragmentos del genoma son realmente necesarios para la supervivencia y hasta qué punto se resiente la célula cuando falta alguno de ellos.
Incluso en Escherichia coli, el microbio más estudiado del mundo, la mayoría de los análisis sólo exploran una de cada diez o veinte posiciones del ADN, lo que deja amplias zonas ciegas y clasificaciones demasiado binarias (sí/no) de los genes. En esta ocasión se fue mucho más allá: se analizó una de cada dos letras del ADN, lo que permitió ordenar los componentes del genoma a lo largo de un continuo de importancia, y no únicamente como esenciales o no esenciales.
“Queríamos saber qué pequeñas partes del ADN de una bacteria son verdaderamente esenciales, no solo los genes evidentes”, dice el Dr. Samuel Miravet Verde, microbiólogo del ETH Zúrich, quien codirigió el trabajo durante su etapa en el Centro de Regulación Genómica (CRG) junto con el Dr. Raúl Burgos y el profesor de investigación de ICREA y jefe de grupo del CRG, Luis Serrano.
El genoma completo de Mycoplasma pneumoniae comprende aproximadamente 816.000 letras de ADN, cerca de una millonésima parte del tamaño del genoma humano. Mediante una técnica denominada secuenciación por transposones, se inactivaron 450.000 de esas letras.
De los 707 genes que codifican proteínas, 220 se revelaron absolutamente cruciales, 86 fueron casi críticos, otros 84 resultaron beneficiosos, aunque no indispensables, y 317 se mostraron prescindibles en condiciones de laboratorio. En consecuencia, aproximadamente la mitad del “manual de instrucciones” genético del microbio puede eliminarse o dañarse sin provocar su muerte, al menos en las condiciones ensayadas.
El estudio examinó asimismo los elementos reguladores, pequeñas regiones de ADN situadas junto a los genes que indican a la célula cuándo, dónde o con qué intensidad deben usarse. De los 1.050 elementos analizados, solo 25 resultaron estrictamente necesarios. Este hallazgo encaja con la idea de que la bacteria funciona con interruptores muy simples y que mantiene la expresión de sus genes a plena potencia. Miravet Verde compara el esfuerzo con revisar no solo los engranajes de una máquina, sino también los tornillos y los interruptores que la mantienen en marcha.
Al disponer ahora de una puntuación cuantitativa de aptitud para cada letra del ADN, desde “esencial” hasta “prescindible”, es posible predecir cuánto afectaría al crecimiento o al estrés celular una modificación concreta y elegir la vía de edición más suave, evitando costes asociados al ensayo y error.
La relevancia del avance es mayor si se considera que M. pneumoniae ya se está adaptando como chasis terapéutico con fines médicos. El grupo de investigación, junto con la empresa derivada del CRG, Pulmobiotics, ha reprogramado la bacteria para administrar fármacos capaces de eliminar infecciones pulmonares resistentes a antibióticos en modelos murinos, y está probando variantes para vehicular fármacos antitumorales directamente dentro de tumores pulmonares.
“Cuando quieres añadir una carga terapéutica, debes insertar ADN nuevo en algún lugar. Si aterrizas en el lugar equivocado, puedes inutilizar un gen vital, de modo que contar con este mapa que confirma que hay miles de zonas de aterrizaje seguras cartografiadas con una resolución muy alta nos da un grado de confianza muy elevado”, explica el Dr. Serrano.
“También puede permitirnos eliminar funciones superfluas que reduzcan cualquier posibilidad de que el microbio se comporte de forma indebida o sobreviva donde no debería, una característica de seguridad clave para las píldoras vivas’”, añade el Dr. Burgos.
Entre los hallazgos más llamativos figura la observación de que algunos genes “esenciales” pueden escindirse en dos y aun así que la célula sobreviva. Ello sugiere que ciertos genes bacterianos podrían haberse ensamblado a partir de módulos ancestrales más pequeños, lo que abre una ventana a la evolución de la maquinaria de la vida. “Es como descubrir que un coche puede seguir circulando, aunque parte del motor partido por la mitad”, dice el Dr. Miravet Verde.
El siguiente paso consistirá en estudiar por qué esos genes esenciales admiten ser divididos y cuáles son las implicaciones evolutivas de estos eventos en el árbol de la vida. “¿Fueron en algún momento dos proteínas separadas que se fusionaron a lo largo de la evolución?”, se pregunta el Dr. Miravet Verde. “Responder a esa cuestión podría ayudarnos a diseñar proteínas nuevas y modulares para la biología sintética o a entender cómo se formaron originalmente las proteínas que observamos hoy en la naturaleza”.
