Construyen una célula mínima viva, con un genoma reducido a sus elementos más esenciales

Científicos construyen una célula mínima viva, con un genoma reducido a sus elementos más esenciales, y un modelo de computadora de la célula en 3D que refleja su comportamiento.

Al refinar y probar su modelo, los científicos dicen que están desarrollando un sistema que puede predecir cómo los cambios en los genomas, las condiciones de vida o las características físicas de las células vivas alterarán su funcionamiento.

Las células mínimas tienen genomas reducidos que portan los genes necesarios para replicar su ADN, crecer, dividirse y realizar la mayoría de las otras funciones que definen la vida, dijo Zaida (Zan) Luthey-Schulten, profesora de química en la Universidad de Illinois Urbana. Champaign, quien dirigió el trabajo con el estudiante graduado Zane Thornburg.

“Lo nuevo aquí es que desarrollamos un modelo cinético tridimensional y completamente dinámico de una célula mínima viva que imita lo que sucede en la célula real”, dijo Luthey-Schulten.

La simulación mapea la ubicación precisa y las características químicas de miles de componentes celulares en el espacio 3D a escala atómica.

Realiza un seguimiento del tiempo que tardan estas moléculas en difundirse a través de la célula y encontrarse entre sí, qué tipo de reacciones químicas ocurren cuando lo hacen y cuánta energía se requiere para cada paso.

Para construir la célula mínima, los científicos del Instituto J. Craig Venter en La Jolla, California, recurrieron a las células vivas más simples: los micoplasmas, un género de bacterias que parasitan a otros organismos.

En estudios anteriores, el equipo de JCVI construyó un genoma sintético al que le faltaban tantos genes no esenciales como fue posible y cultivó la célula en un ambiente enriquecido con todos los nutrientes y factores necesarios para sustentarla.

Para el nuevo estudio, el equipo volvió a agregar algunos genes para mejorar la viabilidad de la célula.

Esta celda es más simple que cualquier celda natural, por lo que es más fácil de modelar en una computadora.

Simular algo tan enorme y complejo como una célula viva se basa en datos de décadas de investigación, dijo Luthey-Schulten.

Para construir el modelo informático, ella y sus colegas de Illinois tuvieron que tener en cuenta las características físicas y químicas del ADN de la célula; lípidos; aminoácidos; y maquinaria de transcripción de genes, traducción y construcción de proteínas.

También tuvieron que modelar cómo se difundía cada componente a través de la célula, haciendo un seguimiento de la energía necesaria para cada paso del ciclo de vida de la célula.

Se utilizaron unidades de procesamiento gráfico NVIDIA para realizar las simulaciones.

“Construimos un modelo de computadora basado en lo que sabíamos sobre la celda mínima y luego ejecutamos simulaciones”, dijo Thornburg.

“Y revisamos para ver si nuestra celda simulada se comportaba como la real”.

Las simulaciones dieron a los investigadores una idea de cómo la célula real “equilibra las demandas de su metabolismo, procesos genéticos y crecimiento”, dijo Luthey-Schulten.

Por ejemplo, el modelo reveló que la célula usaba la mayor parte de su energía para importar iones y moléculas esenciales a través de su membrana celular.

Esto tiene sentido, dijo Luthey-Schulten, porque los micoplasmas obtienen la mayor parte de lo que necesitan para sobrevivir de otros organismos.

Las simulaciones también permitieron a Thornburg calcular la vida útil natural de los ARN mensajeros, los planos genéticos para construir proteínas.

También revelaron una relación entre la velocidad a la que se sintetizaban los lípidos y las proteínas de membrana y los cambios en el área de superficie de la membrana y el volumen celular.

“Simulamos todas las reacciones químicas dentro de una célula mínima, desde su nacimiento hasta el momento en que se divide dos horas después”, dijo Thornburg.

“A partir de esto, obtenemos un modelo que nos dice cómo se comporta la célula y cómo podemos complejizarla para cambiar su comportamiento”.

“Desarrollamos un modelo cinético tridimensional y totalmente dinámico de una célula mínima viva”, dijo Luthey-Schulten.

“Nuestro modelo abre una ventana al funcionamiento interno de la célula, mostrándonos cómo todos los componentes interactúan y cambian en respuesta a señales internas y externas.

Este modelo, y otros modelos más sofisticados por venir, nos ayudarán a comprender mejor los principios fundamentales de la vida”.

Fuente: Cell