Al célebre físico Richard Feynman se le atribuye la cita: «Lo que no puedo crear, no lo entiendo». Además de informar el enfoque de Feynman sobre la física teórica, es una buena manera de describir las motivaciones de los biólogos sintéticos, con su interés en construir genomas desde cero. Al diseñar y construir genomas sintéticos, esperan comprender mejor el código de la vida.
La biología sintética se organizó en torno al concepto de utilizar secuencias de ADN como «partes» con funciones reproducibles. Ahora, a través de colaboraciones exitosas y el uso de herramientas de vanguardia, Steinmetz Group de EMBL ha obtenido información importante sobre la variación en la expresión génica que resulta de la posición o el contexto de estas piezas de ADN dentro del genoma.
Al explicar el tema de fondo que motiva el trabajo, Amanda Hughes – coautor principal y posdoctorado en Grupo Steinmetz – dijo: “En biología sintética, tiendes a descomponer las cosas en partes modulares, ‘plug-and-play’. Estas son partes promotoras, regiones codificantes y partes terminadoras. Queríamos probar si estas piezas realmente son ‘plug-and-play’, funcionan igual en cualquier contexto, o si su posición afecta su función. Queríamos comprender mejor cómo la organización lineal de los genes afecta sus funciones e identificar los principios generales de diseño que podrían aplicarse a la construcción de genomas”.
Una caja de herramientas de biología sintética ofrece información contextual
Este trabajo, financiado por la BMBF y la “Life?” de la iniciativa de la Fundación Volkswagen, fue posible gracias a dos tecnologías clave: cepas de levadura sintéticas de Consorcio SC2.0 y secuenciación directa de ARN de lectura larga. Las cepas obtenidas del consorcio Sc2.0 incluían una característica de diseño llamada ‘SCRaMbLE’ que brinda la capacidad de reorganizar genes en diferentes ubicaciones en una escala previamente inalcanzable. Los conocimientos y herramientas disponibles en el Instalación de Genomics Core en EMBL, incluido GridION de Oxford Nanopore, permitió al equipo realizar una secuenciación directa de ARN de lectura larga, lo que permitió identificar el principio y el final de las moléculas de ARN y su asignación a reordenamientos específicos. La combinación de estas tecnologías de vanguardia fue fundamental para medir las moléculas de ARN de longitud completa de los genes en muchos contextos.
El diario, publicado en Ciencia mostró que el contexto, y en particular el contexto transcripcional, altera la producción de ARN de un gen. Usando la secuenciación directa de ARN de lectura larga, pudieron observar cambios en el inicio, el final y la cantidad de moléculas de ARN de longitud completa expresadas a partir de secuencias de ADN que se reorganizaron aleatoriamente en genomas de levadura sintética. La reubicación de un gen afectó la longitud y abundancia de su producción de ARN; sin embargo, estos cambios no siempre fueron explicados por la nueva secuencia de ADN adyacente. Parecía ser la transcripción que se desarrollaba a su alrededor, no la secuencia en sí, lo que alteraba la producción de ARN de un gen.
La recopilación de principios generales de un conjunto de datos tan grande y estocástico no fue una tarea trivial, como explicó el autor principal Aaron Brooks: “Para llegar a nuestras conclusiones, tuvimos que observar genes en muchos contextos genéticos alternativos, que estaban presentes en las cepas SCRaMbLE. Sin embargo, volver a juntar las piezas fue un gran esfuerzo. Tuvimos que generar un enorme conjunto de datos de secuenciación, lo que a su vez nos obligó a desarrollar nuevas herramientas de software. Tuvimos que confiar en sofisticados algoritmos de aprendizaje automático para ayudarnos a comprender los patrones complejos que estábamos observando”. El modelado de la producción de ARN de un gen en función de sus nuevos contextos ascendentes y descendentes reveló que los rasgos relacionados con los patrones transcripcionales circundantes predijeron los límites y la abundancia del ARN. Por ejemplo, si un gen se reubicaba cerca de un vecino altamente expresado, su expresión también tendía a aumentar.
Definición de principios de diseño para construir genomas
Además de aclarar la relación entre la abundancia de ARN y la expresión de genes vecinos, los investigadores también notaron una relación convincente entre las posiciones finales de los ARN de genes convergentes (genes orientados con extremos entre sí). Específicamente, encontraron que la longitud de un ARN se vio afectada por la proximidad y la abundancia de transcritos vecinos. Jef Boeke, coautor y director del consorcio Sc2.0, comentó sobre estos conocimientos: «Perfiles de transcripción profunda combinados con las variaciones genómicas producidas usando [the] El sistema SCRaMbLE nos dio nuevos conocimientos sobre la flexibilidad del genoma de la levadura y señaló que las reglas sobre dónde terminan las transcripciones pueden ser sorprendentemente dependientes del contexto”.
Finalmente, aplicando estos hallazgos, los investigadores pudieron ajustar la longitud de las moléculas de ARN controlando la transcripción de un gen vecino. El equipo demostró que las lecciones aprendidas del estudio de los transcriptomas de los genomas SCRaMbLEd se pueden aplicar a la ingeniería de genomas con las funciones deseadas. El estudio también propone un nuevo concepto de diseño de biología sintética que los investigadores denominan «incorporación transcripcional» que se puede utilizar para marcar reversiblemente un ARN, alterando su estabilidad, traducción de proteínas o incluso localización. Todo esto podría lograrse, creen, controlando la expresión de un gen convergente y vecino, en lugar del gen en sí.
«La naturaleza imparcial y de alto rendimiento del enfoque de reordenamiento de genes utilizado aquí nos lleva a descubrir funciones de secuencias genómicas en diferentes contextos genómicos, algo que antes no era posible a escala», dijo Lars Steinmetz, líder del grupo EMBL. “Este enfoque enfatiza que el contexto es importante en la regulación de los extremos de la transcripción; sorprendentemente, incluso permite predicciones de los extremos de la transcripción dependientes del contexto cuando los genes se reorganizan en nuevas ubicaciones. En última instancia, el trabajo revela que existe una regulación interrelacionada entre elementos genéticos vecinos, que abarca múltiples genes que determinan dónde comienzan y terminan las transcripciones. La capacidad de predecir estas interacciones puede informar los «principios de diseño» clave para la construcción del genoma; es decir, dónde están mejor ubicados los genes y cómo deben posicionarse entre sí. Estos conocimientos avanzan en las herramientas para la ingeniería de transcripciones sin alterar la secuencia en sí, pero modulando la expresión de los genes vecinos”. Su trabajo se suma a un repertorio creciente de principios de diseño que se pueden aprovechar para realizar una gran visión en biología sintética: diseñar y construir un genoma desde cero.
Referencia: Brooks Aaron N., Hughes Amanda L., Sandra Clauder-Münster, Mitchell Leslie A., Boeke Jef D., Steinmetz Lars M. Los vecindarios transcripcionales regulan la longitud de las isoformas transcripcionales y los niveles de expresión. Ciencia. 2022;375(6584):1000-1005. Duele: 10.1126/ciencia.abg0162.
Este artículo se ha vuelto a publicar de la siguiente materiales. Nota: Es posible que el material haya sido editado por su extensión y contenido. Para obtener más información, comuníquese con la fuente citada.
