Un campo de investigación naciente, biología artificial, está trabajando para crear un organismo genuinamente nuevo. En Princeton, El profesor de química Michael Hecht y los investigadores de su laboratorio están diseñando y construyendo proteínas que pueden plegar e imitar los procesos químicos que sustentan la vida. Sus proteínas artificiales, codificado por genes sintéticos, tienen aproximadamente 100 aminoácidos de longitud, utilizando una disposición infinitamente variable de 20 aminoácidos.

Ahora, Hecht y sus colegas han confirmado que al menos una de sus nuevas proteínas puede catalizar reacciones biológicas, lo que significa que una proteína diseñada completamente desde cero funciona en las células como una enzima genuina.

Las enzimas son clave para toda la biología, Dijo Hecht. "La biología es el sistema de reacciones bioquímicas y catalizadores. Cada paso tiene una enzima que lo cataliza, porque de lo contrario esas reacciones no irían lo suficientemente rápido como para que exista la vida. ... Una enzima es una proteína que actúa como catalizador. Son los mejores catalizadores del universo porque la evolución ha pasado miles de millones de años seleccionándolos. Las enzimas pueden aumentar la velocidad de una reacción en muchos órdenes de magnitud ".

Una vez que Hecht y su equipo de investigación crearon con éxito proteínas artificiales para E. coli, comenzaron a buscar funciones críticas que pudieran alterar en estas simples bacterias. Encontraron cuatro genes que, cuando se quita, no sólo dejaría inerte a la E. coli, efectivamente muerta, sino que sus proteínas artificiales podrían entonces "rescatar, "o resucitar.

Identificaron por primera vez estas proteínas artificiales en 2011, y han pasado los últimos seis años trabajando para descubrir los mecanismos precisos por los que funcionaban sus nuevas proteínas, ahora detallado en un artículo del 15 de enero en Biología química de la naturaleza .

Es importante no asumir que una proteína artificial funcionará de la misma manera que la natural cuya eliminación está rescatando. Hecht advirtió.

La determinación de los mecanismos que utilizaban sus proteínas artificiales requirió innumerables experimentos. "Tuvimos cuatro deleciones de genes diferentes:cuatro funciones enzimáticas diferentes, "dijo Ann Donnelly, autor principal del artículo.

Después de años de experimentos, el equipo había llegado a la conclusión de que dos de estos "rescates" operan reemplazando enzimas, proteínas que sirven para catalizar otras reacciones, ayudándoles a operar con la suficiente rapidez para mantener la vida, con proteínas que no eran enzimas en sí mismas, pero que impulsan la producción de otros procesos en la célula, ella dijo. El tercero estaba mostrando progreso, pero el cuarto había frustrado a varios investigadores que pasaron por el laboratorio de Hecht.

Pero luego Donnelly, quien era estudiante de posgrado cuando hizo la investigación y ahora es especialista en investigación en bioinformática en la Universidad de Pittsburgh, descifrado el código.

"Esta proteína artificial, Syn-F4, era en realidad una enzima, "Dijo Donnelly." Ese fue un momento increíble e increíble para mí, increíble hasta el punto de que no quise decir nada hasta que lo había repetido varias veces ".

Ella solo le dijo a Katie Digianantonio, un compañero de estudios de posgrado, y Grant Murphy, un investigador postdoctoral, que son coautores del nuevo artículo. "Yo dije, "Creo que esto es una enzima". Les mostré los datos iniciales y dije:No le digas nada a Michael. Déjame hacer esto de nuevo ". Donnelly volvió a purificar la proteína, y creó una nueva, sustrato perfectamente puro para la E. coli. "Volví a ejecutar todo desde diferentes preparaciones, y cuando el resultado se mantuvo, Le dije a Michael " ella dijo.

Del conjunto original de proteínas que podrían rescatar deleciones de genes, esta es la única que ha resultado ser una enzima, al menos hasta ahora, ella dijo.

"Tenemos una proteína completamente nueva que es capaz de mantener la vida al ser una enzima, y ​​eso es una locura, "Dijo Hecht.

Esto tiene implicaciones importantes para la industria, dijo Justin Siegel, director de la facultad del Instituto de Innovación para la Alimentación y la Salud y profesor asistente de química, bioquímica y medicina molecular en el UC Davis Genome Center, que no participó en la investigación.

"La biotecnología utiliza comúnmente enzimas para llevar a cabo procesos industriales para la producción de materiales, comida, combustible y medicina, "Siegel dijo." El uso de estas enzimas en un entorno industrial a menudo comienza con una enzima que la naturaleza desarrolló durante miles de millones de años para un propósito no relacionado, y luego la proteína se ajusta para refinar su función para la aplicación moderna. El informe aquí demuestra que ya no estamos limitados a las proteínas producidas por la naturaleza, y que podemos desarrollar proteínas, que normalmente habrían tardado miles de millones de años en evolucionar, en cuestión de meses ".

El equipo de Hecht había creado una cepa de E. coli a la que le faltaba la enzima Fes, sin el cual no puede acceder al hierro necesario para sustentar la vida. "Todos necesitamos hierro, ", Dijo Hecht." Aunque el hierro es abundante en la tierra, el hierro biológicamente accesible no lo es ". Las células han desarrollado moléculas como la enterobactina, él explicó, que puede eliminar el hierro de cualquier fuente disponible, pero luego necesitan una herramienta, como Fes, para arrancar el hierro del fuerte agarre de la enterobactina.

Esta cepa de E. coli modificada no tenía forma de extraer, o hidrolizar, el hierro de su enterobactina, hasta que fue "rescatado" por Syn-F4. Los investigadores habían proporcionado hierro a la E. coli, pero solo tiñó las células de rojo, ya que aunque pudieran acumular el metal atado, no pudieron liberarlo de la enterobactina o acceder a él para uso celular.

"Y entonces Ann se dio cuenta ... ya no son rojos, son blancos lo que sugiere que las células pueden descomponerlo y obtener el hierro, lo que sugiere que en realidad tenemos una enzima ", dijo Hecht.

"Millones de años de evolución dieron como resultado Fez, una enzima perfectamente buena para hidrolizar la enterobactina, "dijo Wayne Patrick, profesor titular de bioquímica en la Universidad de Otago en Nueva Zelanda, que no participó en la investigación. "Es bastante fácil estudiar la estructura, función y mecanismo de Fez, e inferir algo sobre su evolución comparándolo con secuencias relacionadas. Pero es mucho más difícil (y más interesante) preguntarse si Fes es la solución al problema bioquímico de hidrolizar la enterobactina, o si es una de las muchas soluciones. Donnelly y col. han demostrado que una enzima que nunca nació (excepto artificialmente, en su laboratorio), sin embargo, podría haber sido una solución igualmente buena (si se le hubiera dado la oportunidad).

"Esa línea de razonamiento tiene varias implicaciones, "explicó Patrick." Uno es para la vida que queda por descubrir en la Tierra. Quizas un dia, encontraremos una enzima natural que se parece a Syn-F4 pero que ocupa el lugar de Fes en un microorganismo u otro. Al menos ahora, sabremos mirar. Otra implicación es para la astrobiología. Si hay muchas soluciones igualmente probables para un problema bioquímico, es más probable que se haya encontrado una solución en otra parte del universo ".

Los investigadores están en la cúspide de una verdadera biología sintética, Dijo Hecht.

"E. coli tiene 4, 000 genes diferentes, ", dijo." No probamos los 4, 000, porque la única forma en que funciona este experimento es si nada crece en un medio mínimo, y de los 4, 000, eso solo es cierto para algunos.

"Estamos empezando a codificar un genoma artificial. Hemos rescatado el 0,1 por ciento del genoma de E. coli ... Por ahora, es una extraña E. coli con algunos genes artificiales que le permiten crecer. Suponga que reemplaza el 10 por ciento o el 20 por ciento. Entonces no es solo una extraña E. coli con algunos genes artificiales, entonces tienes que decir que es un organismo nuevo ".