¿Células autosuficientes?

ARRIBA: Julie Trolle y Jef Boeke utilizan métodos de biología sintética para permitir que las células de los mamíferos creen aminoácidos esenciales. Cortesía de Julie Trolle

Cada vez que los estudiantes se acercan al genetista Jef Boeke para afirmar que han hecho un nuevo descubrimiento genial, su primera reacción siempre es: "Muéstrame las placas". Boeke es el director fundador del Instituto de Genética de Sistemas en NYU Langone Health, y la mayor parte del trabajo en su laboratorio se enfoca en microorganismos. Mirar directamente las células de sus alumnos bajo el microscopio lo ayuda a seleccionar detalles que podrían conducir a descubrimientos interesantes, por lo que cuando la estudiante de doctorado de la Facultad de Medicina Grossman de la Universidad de Nueva York, Julie Trolle, le envió imágenes de sus células de ovario de hámster chino (CHO) modificadas genéticamente en 2017, sabía que necesitaba verlos por sí mismo. Lo que vio fue la resurrección de una vía de síntesis de aminoácidos que se perdió en los animales hace más de 500 millones de años.

En total, 20 aminoácidos componen las miles de proteínas diferentes en todas las formas de vida. Pero los animales solo pueden hacer 11 de ellos; tienen que recoger los otros aminoácidos esenciales de sus entornos. Lo hacen consumiendo plantas, que normalmente producen los 20 aminoácidos, o comiendo animales que han consumido plantas. Dado que la mayoría de las plantas y microorganismos llevan el camino para los 20, los nueve que faltan plantean preguntas sobre la evolución animal: ¿Cuándo y por qué se perdieron estos caminos? ¿Y podrían los animales volver a producir los aminoácidos de alguna manera? Trolle estaba particularmente interesado en utilizar la biología sintética y la ingeniería para abordar esta segunda pregunta y, al hacerlo, podría sentar las bases para soluciones a varios problemas médicos e industriales.

Hacer las células modificadas no fue fácil, dijo. El ancestro animal con estas vías de síntesis vivió hace al menos 500 millones de años. Las interacciones entre las enzimas necesarias para producir los aminoácidos ciertamente no eran las mismas en esos ancestros que en las células CHO en las placas de cultivo de Trolle.

Optó por centrar sus esfuerzos en la valina debido a su similitud química con la isoleucina, otro aminoácido esencial. Una célula que podría producir valina también podría producir isoleucina, dijo, lo que podría hacer que esto sea más eficiente que diseñar una vía de producción de un solo aminoácido.

Comenzó introduciendo genes bacterianos que codifican enzimas que normalmente no se producen en células animales en células CHO estándar de la industria. Ella esperaba que las células pudieran convertir los compuestos bioquímicos en su entorno en valina e isoleucina. Trolle colocó sus células modificadas y un grupo de células de control en medios que carecían de uno o ambos aminoácidos para ver si sobrevivían.

Para su decepción, las células no sobrevivieron bien sin isoleucina en su medio de cultivo, sin importar los ajustes que hizo en la ruta, lo que indica que no produjeron ningún aminoácido. Sin embargo, las células de Trolle continuaron sobreviviendo bien en medio sin valina.

Las diferencias en los resultados entre las células normales y las modificadas genéticamente fueron "más que convincentes", dijo Boeke. Las células modificadas genéticamente sobrevivieron mejor que las células de control, lo que implica que produjeron el aminoácido esencial por sí mismas.

Trolle midió los niveles de valina en el medio de cultivo para confirmar que las células sintetizaban valina cuando se alimentaban con glucosa y piruvato. "Fue un éxito increíble", dijo Boeke. "Estábamos tan emocionados". Sin embargo, cuando el equipo envió los resultados para su publicación en 2021, los revisores se mostraron escépticos. La producción de valina en las células de Trolle comenzó a disminuir a partir de los 20 días, y mucho más a los 40 días. Los revisores señalaron que las células CHO deberían poder producir valina a un ritmo constante.

Con la ayuda de Boeke y otros investigadores, Trolle probó varios ajustes sin éxito. Finalmente, sin embargo, hizo un gran avance. Descubrió que el problema con la vía era la acumulación de un compuesto intermedio producido por las células. Para corregir esto, Trolle intentó agregar una copia adicional del gen que codificaba la enzima que convertía ese intermediario en el siguiente producto.

El cambio funcionó; de repente, las células produjeron valina a un ritmo mayor que el lote anterior de células. Y la producción de valina aumentó constantemente a lo largo de los 40 días del experimento.1 "Es la primera célula animal que ha existido jamás en producir valina", dijo Trolle, quien ahora es becario postdoctoral en el laboratorio de Boeke.

"Es un resultado pionero y alentador", dijo Andrew Hessel, biólogo celular y genetista que cofundó la compañía de terapias contra el cáncer Humane Genomics y cofundó y preside Genome Project-write, un esfuerzo de investigación internacional centrado en la edición y síntesis del genoma. Hessel no participó en la investigación, aunque anteriormente colaboró ​​con Boeke y otro de los autores del estudio. "Este es un primer paso realmente genial para hacer una célula completamente autótrofa", dijo Hessel.

Ahora que Trolle ha demostrado que una célula animal productora de aminoácidos esenciales es posible, Hessel dijo que es solo cuestión de tiempo antes de que otros sigan sus pasos con diferentes aminoácidos. "Terminaremos viendo una célula que puede producir todos sus aminoácidos en los próximos años", dijo.

Trolle espera que el trabajo tenga aplicaciones para los métodos de cultivo celular. El medio utilizado para alimentar las células CHO con las que trabajó, por ejemplo, es costoso y, a menudo, depende de productos animales. Trabajar con células autótrofas sería más fácil y rentable y haría que procesos como el cultivo de carne en un laboratorio fueran más factibles. "Cualquier tipo de aplicación que involucre el cultivo de células de mamíferos a gran escala probablemente requerirá algo de ingeniería genómica para que sea escalable", dijo. "Esto es dar un primer paso para hacer que ese tipo de cosas sucedan".

Según el biólogo sintético de la Universidad de Stanford, Drew Endy, que no participó en el estudio, estas vías podrían diseñarse para crear otros aminoácidos que nunca antes se habían biosintetizado. Dicha tecnología podría conducir a la producción de nuevas proteínas y medicamentos, dijo Endy, quien invierte en empresas de biología sintética y cofundó y aún asesora a la empresa de construcción de ADN Gen9.

Yendo más allá de las células CHO, Boeke está interesado en incorporar las vías recientemente diseñadas en células madre embrionarias, lo que podría diseñar un ratón que podría producir su propia valina, que podría ser más barata de alimentar en el laboratorio. Sin embargo, Boeke dijo que, por ahora, los proyectos como las células animales completamente autótrofas siguen siendo materia de ciencia ficción, y agregó que puede haber "algunas consecuencias imprevistas de que las células produzcan estos [aminoácidos]".

No obstante, Hessel está impresionado por el trabajo y, en particular, por el uso de genes bacterianos para mejorar las células de los mamíferos. "Nuestras células de mamíferos tienen mucho que aprender de las bacterias", dijo. "Es notable que las bacterias nos estén enseñando cómo ser más independientes".

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