Biologia Molecular Mexico

El campo de la genómica sintética ha alcanzado un nuevo hito con la exitosa construcción y rediseño iterativo de synXVI, una versión sintética del cromosoma XVI en Saccharomyces cerevisiae [1]. Este logro, parte del proyecto Sc2.0, representa un paso importante hacia la creación de genomas eucariotas completamente sintéticos y destaca el potencial transformador de la ingeniería genómica en la biotecnología y la ciencia básica. Estos avances nos ayudan a entender más de la biología de los seres vivos, así como lograr nuevas metas haciendo ingeniería genética.

El Proyecto Sc2.0: Un Genoma Sintético para Saccharomyces cerevisiae

El proyecto Sc2.0, iniciado en 2006 [2], es un ambicioso esfuerzo global para sintetizar una versión modificada del genoma de la levadura. Compuesto por 16 cromosomas sintéticos y un neocromosoma de ARN de transferencia (ARNt), este proyecto tiene como objetivo proporcionar una comprensión más profunda de la estructura, función y evolución del genoma, al tiempo que impulsa las capacidades de la biología sintética. La construcción exitosa de synXVI marca un avance significativo en esta empresa, incorporando lecciones aprendidas de cromosomas sintéticos previos y allanando el camino para futuras modificaciones a nivel genómico.

Construcción y Depuración de synXVI

El ensamblaje del cromosoma synXVI, de 902,994 pares de bases, siguió un meticuloso ciclo de diseño-construcción-prueba-aprendizaje. Los científicos emplearon una combinación de síntesis de genes, recombinación in vivo y técnicas avanzadas de depuración para construir y validar el cromosoma sintético. Una herramienta clave en este proceso fue el protocolo CRISPR D-BUGS, que identificó y corrigió loci defectuosos que afectaban el crecimiento y la esporulación de la levadura.

Uno de los hallazgos más importantes durante la fase de depuración fue el impacto inesperado de los sitios loxPsym insertados—secuencias de recombinación utilizadas para la reorganización del genoma—en la expresión génica. En particular, los sitios loxPsym ubicados cerca de regiones reguladoras de genes provocaron defectos en el crecimiento en glicerol como única fuente de carbono y a temperaturas elevadas. Los investigadores rastrearon estos defectos hasta interrupciones en genes críticos, incluidos CTR1, un transportador primario de cobre esencial para la función mitocondrial, y GIP3, un gen involucrado en la formación del huso mitótico. La corrección de estos errores mediante rediseño dirigido y complementación genética restauró un crecimiento cercano al tipo silvestre, lo que demuestra la importancia de modificaciones genómicas precisas.

Implicaciones para la Biomanufactura y la Ingeniería Evolutiva

Una de las principales motivaciones para la genómica sintética es su potencial para revolucionar la biomanufactura, la rama de la biotecnología que busca generar organismos genéticamente modificados para producir moléculas de utilidad. La levadura ha sido durante mucho tiempo un pilar de la biotecnología industrial, produciendo desde biocombustibles hasta productos farmacéuticos. Al permitir modificaciones a nivel genómico, la biología sintética permite la optimización de rutas metabólicas, una mayor tolerancia al estrés y el desarrollo de funciones biológicas completamente nuevas.

Una innovación clave en el proyecto Sc2.0 es el uso del sistema SCRaMbLE (Synthetic Chromosome Rearrangement and Modification by LoxP-mediated Evolution). Este enfoque permite reorganizaciones estocásticas de los cromosomas sintéticos, facilitando la rápida evolución de cepas de levadura para un rendimiento optimizado en aplicaciones industriales. SCRaMbLE ya se ha utilizado para mejorar la producción de metabolitos y proteínas valiosos, demostrando su potencial para la mejora de cepas.

Lecciones Aprendidas y Direcciones Futuras

La construcción de synXVI ha proporcionado conocimientos valiosos sobre los desafíos y oportunidades de la genómica sintética. Algunas lecciones clave incluyen:

• Precisión en el Diseño Genómico: Pequeñas modificaciones, como la ubicación de los sitios loxPsym, pueden tener efectos significativos en la expresión génica y el fenotipo. Los futuros genomas sintéticos se beneficiarán de una mejor anotación de los elementos reguladores y principios de diseño más refinados.
• Importancia de la Conservación del ARNt: La eliminación de 17 genes de ARNt del cromosoma XVI inicialmente causó defectos en el crecimiento, lo que subraya la importancia de mantener un equilibrio adecuado de ARNt. La eventual incorporación de estos ARNt en un neocromosoma separado restauró el crecimiento, destacando una estrategia potencial para futuros organismos sintéticos.
• Escalabilidad y Automatización: El éxito de synXVI subraya la necesidad de métodos de construcción de genomas escalables. Los avances en síntesis de ADN, secuenciación de lectura larga y automatización acelerarán el desarrollo de genomas sintéticos más grandes, incluidos los de plantas y animales.

De cara al futuro, los principios desarrollados en el proyecto Sc2.0 podrían aplicarse a una amplia gama de organismos. La genómica sintética tiene el potencial de revolucionar la medicina, la agricultura y la sostenibilidad ambiental mediante la creación de microbios diseñados, cultivos mejorados y células sintéticas con funciones novedosas. El enfoque iterativo demostrado en synXVI sirve como modelo para futuros esfuerzos en la construcción de genomas sintéticos con mayor funcionalidad y potencial evolutivo.

Conclusión

La exitosa construcción y depuración de synXVI representa un logro histórico en la genómica sintética. Al combinar técnicas avanzadas de síntesis genómica con rediseño iterativo y depuración basada en CRISPR, los investigadores han creado un modelo para el futuro de la biología sintética. A medida que la genómica sintética continúa avanzando, sus aplicaciones se extenderán más allá de la levadura, ofreciendo oportunidades sin precedentes para diseñar la vida a escala genómica.

Referencia

[1] Goold HD, Kroukamp H, Erpf PE, Zhao Y, Kelso P, Calame J, Timmins JJB, Wightman ELI, Peng K, Carpenter AC, Llorente B, Hawthorne C, Clay S, van Wyk N, Daniel EL, Harrison F, Meier F, Willows RD, Cai Y, Walker RSK, Xu X, Espinosa MI, Stracquadanio G, Bader JS, Mitchell LA, Boeke JD, Williams TC, Paulsen IT, Pretorius IS. Construction and iterative redesign of synXVI a 903 kb synthetic Saccharomyces cerevisiae chromosome. Nat Commun. 2025 Jan 20;16(1):841. doi: 10.1038/s41467-024-55318-3.

[2] Pretorius IS, Boeke JD. Yeast 2.0-connecting the dots in the construction of the world’s first functional synthetic eukaryotic genome. FEMS Yeast Res. 2018 Jun 1;18(4):foy032. doi: 10.1093/femsyr/foy032.