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Sistema de información genética expandido artificialmente

El Sistema de Información Genética Expandido Artificialmente ( AEGIS ) es un experimento con análogos de ADN sintético que utiliza pares de bases no naturales de los laboratorio...

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El Sistema de Información Genética Expandido Artificialmente ( AEGIS ) es un experimento con análogos de ADN sintético que utiliza pares de bases no naturales de los laboratorios de la Fundación para la Evolución Molecular Aplicada en Gainesville, Florida , especialmente del laboratorio de Steven A. Benner . AEGIS es un proyecto financiado por la NASA para intentar comprender cómo pudo haberse desarrollado la vida extraterrestre . [ 1 ] En un artículo de 2024 del mismo laboratorio, el concepto se amplió a sistemas de información genética evolutivos antropogénicos , manteniendo el mismo acrónimo. [ 2 ]

El ADN Hachimoji y el ARN Hachimoji (del japonés八文字hachimoji , "ocho letras") son un subconjunto estricto de este sistema y provienen del mismo laboratorio. [ 3 ] Esto da lugar a cuatro pares de bases permitidos : dos pares de bases no naturales formados por las nucleobases sintéticas , además de los dos pares normales. Se han demostrado bases Hachimoji en análogos de ADN y ARN, utilizando desoxirribosa y ribosa respectivamente como azúcar de la cadena principal. [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]

Entre los beneficios de un sistema de ácido nucleico de este tipo se incluyen una mayor capacidad para almacenar datos , así como perspectivas sobre lo que podría ser posible en la búsqueda de vida extraterrestre . [ 7 ] [ 8 ]

El ADN de Hachimoji y AEGIS provienen del mismo equipo liderado por el ex químico de la Universidad de Harvard, Steven Benner , y pertenecen al mismo proyecto financiado por la NASA. [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]

ADN normal

Una doble hélice de ADN natural. El ADN de Hachimoji adopta una estructura similar.

El ADN natural es una molécula que contiene las instrucciones genéticas utilizadas en el crecimiento, desarrollo, funcionamiento y reproducción de todos los organismos vivos conocidos y muchos virus . El ADN y el ácido ribonucleico (ARN) son ácidos nucleicos ; junto con las proteínas , los lípidos y los carbohidratos complejos ( polisacáridos ), los ácidos nucleicos son uno de los cuatro tipos principales de macromoléculas esenciales para todas las formas de vida conocidas . El ADN es un polinucleótido , ya que está compuesto por unidades monoméricas más simples llamadas nucleótidos ; cuando es de doble cadena, las dos cadenas se enrollan entre sí para formar una doble hélice . [ 14 ] [ 15 ]

En el ADN natural, cada nucleótido está compuesto por una de las cuatro nucleobases ( citosina [C], guanina [G], adenina [A] o timina [T]), un azúcar llamado desoxirribosa y un grupo fosfato . Los nucleótidos se unen entre sí formando una cadena mediante enlaces covalentes entre el azúcar de un nucleótido y el fosfato del siguiente, lo que da como resultado una estructura alternada de azúcar-fosfato . Las bases nitrogenadas de las dos cadenas de polinucleótidos se unen entre sí mediante enlaces de hidrógeno , según las reglas de apareamiento de bases (A con T y C con G), para formar el ADN de doble cadena.

Bases

El ADN de Hachimoji es similar al ADN natural, pero difiere en el número y tipo de nucleobases. [ 3 ] [ 7 ] En el ADN de Hachimoji se utilizan nucleobases no naturales, más hidrofóbicas que las bases naturales , [ 16 ] [ 17 ] . Este ADN siempre formaba la doble hélice estándar , independientemente de la secuencia de bases utilizada. Los investigadores adaptaron una enzima ( polimerasa T7 ) para transcribir in vitro el ADN de Hachimoji a ARN de Hachimoji, que, a su vez, producía actividad química en forma de un fluoróforo verde brillante . [ 6 ] [ 7 ]

El sistema AEGIS completo utiliza de 12 a 14 nucleobases diferentes en su código genético , añadiendo cuatro tipos de pares de bases además de los dos pares de bases naturales de Watson-Crick . [ 1 ] [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] [ 12 ]

Nombres como "pyADA" y "puDAD" pertenecen a un sistema específico de AGEIS para la designación de nucleobases. PyADA indica que la base es una pirimidina, y de arriba (5') a abajo (3'), el comportamiento de los enlaces de hidrógeno es aceptor, donador, aceptor. PuDAD indica que la base es una purina con un patrón donador-aceptor-donador. Según este sistema, todos los pares forman tres enlaces de hidrógeno. [ 21 ]

El sistema de tres enlaces contiene una considerable flexibilidad para la modificación posterior de los nucleósidos. Se pueden agregar, eliminar o reemplazar grupos funcionales en el lado no enlazante de la nucleobase sin afectar el enlace, de manera similar a como la uridina (timina sin un grupo metilo) se enlaza como la timina en el sistema genético natural. La formulación original (1998) solo anticipaba la posibilidad de reemplazar grupos en pyAAD (dS), pyADA (T), pyADD (Z), pyDAA (V) y pyDAA (C), [ 21 ] pero en el artículo de Benner de 2014 los doce tipos de bases tienen un sitio para el reemplazo de grupos. [ 22 ] Benner también indica en un informe de 2012 para el DITC que las seis bases púricas tienen un segundo sitio para unir otro grupo funcional. [ 23 ]

Además, los anillos de purina y pirimidina pueden sustituirse por cualquier anillo de tamaño similar. Esto puede resultar ventajoso cuando se requiere una tautomerización reducida u otra forma de estabilidad adicional. Por ejemplo, la 6-amino-5-bencil-3-metilpirazin-2-ona puede sustituir a la isoguanina. [ 24 ]

Enlace no canónico

Al igual que las nucleobases naturales, las bases AEGIS pueden formar enlaces no canónicos. Por ejemplo, B puede aparearse con T por tautomerización, Z puede aparearse con G a pH bajo (enlace de hidrógeno protonado) y P puede aparearse con C a pH bajo (también protonado). Una ADN polimerasa sin acceso a las nucleobases no naturales realizaría estos apareamientos, lo que provocaría la sustitución de bases. [ 22 ]

Se puede formar un análogo del par de bases tambaleante G·U entre aminoA y 5-metilisocitidina (m 5 iC). [ 25 ]

En 2021, se descubrió que la isoguanina (B) también puede formar pares de bases con la guanina (G) y la 5-aza-7-deazaguanina (P) cuando se incorporan al ADN. El par de bases purina-purina requiere más espacio que el par de bases purina-pirimidina típico (los pares naturales Watson-Crick AT CG y los pares diseñados PZ BS son todos de este tipo), pero el amplio surco de la doble hélice del ADN proporcionó suficiente espacio para que esto ocurriera. Este par de bases "más amplio" en realidad aumenta la estabilidad del ADN. [ 26 ]

El apareamiento de bases de Hoogsteen da como resultado la formación de tripletes en la estructura terciaria del ácido nucleico . [ 27 ]

Biología

Falta de autosostenibilidad

El químico de Scripps Research, Floyd Romesberg , conocido por crear el primer par de bases no naturales (UBP) y ampliar el alfabeto genético de cuatro a seis letras en 2012, [ 28 ] afirmó que la invención del sistema de ADN hachimoji es un ejemplo de que las bases naturales (G, C, A y T) "no son únicas". [ 29 ] [ 30 ] La creación de nuevas formas de vida podría ser posible, al menos teóricamente, [ 16 ] con el nuevo sistema de ADN. [ 30 ] Sin embargo, por ahora, el sistema de ADN hachimoji no es autosostenible; necesita un suministro constante de componentes básicos y proteínas únicas que solo se encuentran en el laboratorio. En consecuencia, "el ADN hachimoji no puede ir a ninguna parte si sale del laboratorio". [ 6 ]

Ribozima

El sistema de ADN hachimoji produjo un tipo de ARN catalítico ( ribozima o aptámero ) in vitro .

Aplicaciones

La NASA financió esta investigación para "ampliar el alcance de las estructuras que podríamos encontrar mientras buscamos vida en el cosmos". [ 3 ] Según Lori Glaze de la División de Ciencias Planetarias de la NASA, "la detección de vida es un objetivo cada vez más importante de las misiones de ciencias planetarias de la NASA, y este nuevo trabajo [con ADN hachimoji] nos ayudará a desarrollar instrumentos y experimentos eficaces que ampliarán el alcance de lo que buscamos". [ 5 ] [ 31 ] El líder del equipo de investigación, Steven Benner, señala: "Al analizar cuidadosamente los roles de la forma, el tamaño y la estructura en el ADN hachimoji, este trabajo amplía nuestra comprensión de los tipos de moléculas que podrían almacenar información en la vida extraterrestre en mundos alienígenas". [ 32 ]

Según los investigadores, [ 3 ] el ADN hachimoji también podría usarse "para desarrollar diagnósticos limpios para enfermedades humanas , en el almacenamiento digital de datos de ADN , códigos de barras de ADN , nanoestructuras autoensamblables y para crear proteínas con aminoácidos inusuales . Partes de este ADN hachimoji ya están siendo producidas comercialmente por Firebird Biomolecular Sciences LLC". [ 3 ] [ 6 ]

Historia

El Laboratorio Benner informó en 1987 que había ampliado el número de bases disponibles para la síntesis de ARN en un artículo sobre la hipótesis del mundo de ARN . No está claro si la disposición completa de seis pares de AEGIS ya se había planificado para entonces, ya que el autor de dicho artículo no tuvo acceso al texto. [ 33 ]

El laboratorio de Benner informó en 1989 que la ARN polimerasa T7 y el fragmento de Klenow , en sus formas no modificadas, pueden insertar un residuo de isoguanina (iG) cuando son guiados por una plantilla de ADN que contiene isocitidina (iC). El estudio fue financiado por el gobierno suizo y Sandoz AG , no por la NASA. [ 34 ]

Un artículo del Laboratorio Benner de 1990 informa que la ARN polimerasa T7 y el fragmento de Klenow pueden insertar 2,4-diaminopirimidina (kappa, κ) frente a xantosina (X). La ARN polimerasa T7 podía insertar X frente a κ, pero el fragmento de Klenow no. Esta investigación también fue financiada por organizaciones suizas. Además, incluye la disposición de seis pares de bases de AEGIS, a diferencia del artículo anterior. [ 35 ]

En 1992, una colaboración con Jim Bain y Dick Chamberlin ( UC Irvine ) produjo un ejemplo de pyAAD en ARNm y puDDA en ARNt. El resultado puede traducirse utilizando un ribosoma estándar para incorporar el aminoácido no estándar yodotirosina . Cuando el ARNt está ausente, el ribosoma presenta un cambio de marco de lectura y continúa la traducción. Este es el primer estudio financiado por el gobierno de EE. UU., ya que uno de los autores (Christopher Switzer de UC Riverside ) recibió una beca de la NSF . [ 36 ]

Un artículo de 1998 del Laboratorio Benner fue financiado por la Fundación Nacional Suiza para la Ciencia, el Consejo Danés de Investigación en Ciencias Naturales, los Institutos Nacionales de Salud y la Oficina de Investigación Naval. Ofrece una visión general de la investigación realizada por Benner hasta la fecha. [ 21 ]

El término "AEGIS" apareció en un breve artículo de 2003 del Laboratorio Benner que mencionaba explícitamente una posible conexión con vida extraterrestre y la NASA. Este artículo informa principalmente sobre la modificación de la transcriptasa inversa del VIH para incorporar pyDAD (K)-puADA (X) con mayor fidelidad que las soluciones anteriores. También afirma que AEGIS se ha utilizado en pruebas comerciales aprobadas por la FDA para el VIH y la hepatitis C, así como una herramienta de detección para el virus del SARS, pero no las menciona por su nombre. [ 19 ] El artículo fue ampliado por un artículo completo en 2004. [ 37 ] El artículo de 2004 también cita el artículo de investigación de 1997 sobre el ensayo de ADN ramificado apoyado por el Centro de Investigación del SIDA Aaron Diamond . [ 38 ]

Además de la interacción con enzimas biológicas y otros sistemas, el Laboratorio Benner también trabaja para refinar la ruta de producción y la estructura de las bases mismas. Por ejemplo, la síntesis de Z y P se informó recién en 2006 [ 18 ] y dS se descubrió recién en 2009 [ 39 ].

La investigación del Laboratorio Benner fue noticia en 2019, cuando se publicó bajo el llamativo nombre de "ADN Hachimoji". El artículo no mencionaba AEGIS. El sistema utilizaba una variante "FAL" de la ARN polimerasa T7 y producía un ARN con estructura secundaria. También demostró que las bases de AEGIS no distorsionan la estructura del ADN fuera de los rangos naturales. [ 40 ]

A pesar de la notoriedad, el Laboratorio Benner pronto dejó de usar el nombre Hachimoji, prefiriendo mantener abiertas todas las opciones entre las bases diseñadas para AEGIS. En un artículo de 2023, el grupo informa sobre una forma de sintetizar ADN con las 12 bases de AEGIS utilizando enzimas disponibles comercialmente, lo que reduciría el costo de producción en comparación con el método químico. También describe una forma de aplicar la secuenciación de nanoporos al ADN de 12 bases. [ 41 ]

En un artículo de 2024 del mismo laboratorio, el concepto se ha ampliado a "sistemas de información genética evolutivos antropogénicos", manteniendo el mismo acrónimo. [ 2 ]

Véase también

Referencias

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Lecturas adicionales

  • Bains W (2004). " Muchas químicas podrían usarse para construir sistemas vivos" (PDF) . Astrobiología . 4 (2): 137– 67. Bibcode : 2004AsBio...4..137B . doi : 10.1089/153110704323175124 . PMID 15253836. S2CID 27477952 .  Documento de hipótesis.
  • Fragmento de película codificado en ADN mediante CRISPR: vídeo (01:39) en YouTube