iGEM – Grand Prize 2010 – Ingeniería Metabólica y Biología Sintética: Andamios para Rutas Bioquímicas

por M. A. Loera Sánchez

2010/Eslovenia

Equipo Eslovenia iGEM 2010
 Las rutas y cascadas de señalización en las células es un  tema clásico de libro de texto que descubrí en la preparatoria y que desde entonces me fascinó, con una fascinación que seguramente le es familiar a cualquier estudiante que se inicia en las maravillas de la Biología Molecular.

Todavía recuerdo las competencias que hacía con mis amigos de la Olimpiada de Biología para ver quién conocía mejor los distintos tipos de proteínas G, las respuestas celulares y la conservación evolutiva de la ruta de las MAP cinasas; recuerdo mucho también la mañana en la que uno de ellos se acercó con nosotros a desayunar, con la expresión de haberse desvelado minuciosamente frente al Karp, el Cooper (teníamos la versión impresa tamaño mini) o al Alberts, y nos introdujo a lo que para nosotros era la novedad del momento: la ruta de las JAK-STATs.

Cierta tarde me detuve a leer con mayor detalle alguna ruta y llamaron mi atención un conjunto muy peculiar de proteínas: las proteínas-andamio o scaffold. Estas proteínas tienen la función  de unirse a distintas cinasas (u otras proteínas señalizadoras) a través de diferentes dominios de reconocimiento, de tal manera que  las cinasas se encuentren cercanas en el espacio y se favorezca la transmisión de la señal por vía de, por ejemplo, cambios conformacionales, fosforilaciones o desfosforilaciones.

En pocas palabras, las proteínas-andamio se encargan de acercar en el espacio a dos moléculas, para que éstas coincidan y lleven a cabo una reacción química.

Pasaron los semestres y llegó entonces a oídos de mi generación la noticia de que en la Facultad de Ciencias Biológicas de la UANL se estaba organizando un equipo para participar en el iGEM del 2011. ¡Y qué noticia! De inmediato se organizaron juntas para, primero, explicar a los estudiantes de qué se tratan la Biología Sintética y el iGEM, y pronto pasamos a echar a andar el instinto creativo de los Biotecnólogos Genómicos para generar ideas del posible proyecto.

Una de éstas ideas – un feliz producto del café y de las largas horas solitarias de garabatear en mi libreta de apuntes- la propuse a mis compañeros y consistía básicamente en utilizar dominios de reconocimiento de proteínas fusionados con las enzimas que forman parte de alguna ruta bioquímica, con la finalidad de que cuando se exprese un andamio quimérico que contenga los sitios de unión para los sitios de reconocimiento, entonces las enzimas puedan coincidir en el espacio.

Una de las aportaciones prácticas que le atribuí al proyecto fue que estas enzimas, en lugar de estar deambulando por el citoplasma de las células, al estar unidas al andamio, tendrían mayor probabilidad de interaccionar y de llevar a cabo la ruta enzimática completa; de esta manera, la eficiencia de la ruta enzimática se aumentaría, y por ende, se tendría más rendimiento en el producto final. No se me escapó tampoco que la regulación de la expresión del andamio y sus características regularían también la eficiencia de la ruta, ni tampoco que esta localización espacial de las enzimas podría ser también de ayuda para el desvío de rutas bioquímicas en Ingeniería Metabólica, al incrementar la probabilidad de que un producto intermedio de la ruta interaccione el conjunto de enzimas presentes en el andamio y se transforme en determinado producto, en contraste con alguna ruta alternativa que genere un producto distinto, pero cuyas enzimas se encuentren libres en el citoplasma. Incluso llegué a esbozar un experimento en el que este aumento en la eficiencia de síntesis de un algún producto permitiría reducir el estrés metabólico de las células, aumentando todavía más la eficiencia de la producción en un cultivo.

Grande fue mi sorpresa cuando di con un artículo del Dr. John Dueber (del célebre grupo del Dr. Keasling) que como título llevaba precisamente Synthetic protein scaffolds provide modular control over metabolic flux y donde se ponía cómo, utilizando proteínas-andamio, los autores consiguieron regular el flujo por las rutas bioquímicas para la síntesis de mevalonato y del ácido glucárico. Los autores dan datos sobre la disminución de la carga metabólica y además hacen notar que el procedimiento es generalizable para otras rutas metabólicas y resaltan que el uso de andamios para regular estas rutas representa un nuevo nivel de regulación, diferente al transcripcional.

Mi sentido de ética profesional me dictó la natural orden de hacer saber a mis compañeros los logros que se habían hecho en el laboratorio del Dr. Dueber, además  de otros resultados también interesantes publicados por el Dr. Caleb Bashor. A pesar de mi inicial entusiasmo y del sentimiento de haber dado con una idea de gran originalidad, pronto descubrí que lo poco que le quedaba al proyecto de innovador era el hecho de que se estaría adaptando el sistema al formato BioBrick… y seguí así cavilando –café en mano y con las ojeras en magnífico esplendor- sobre cómo mejorar o adaptar el sistema de andamios. Y entonces llegó una nueva noticia desde el Jamboree del iGEM en Massachusetts.

Esquema de un andamio de DNA

Los chicos de la Universidad de Ljubljana (Eslovenia) se habían ganado el Gran Premio BioBrick luego de haber dado con una solución sensacional: en lugar de utilizar andamios proteínicos, utilizar andamios ¡de DNA! ¿Y cómo lo consiguieron…?


Pues bien, primero recordemos (de nuevo de las clases de Biología Celular o de Biología Molecular) que existe un conjunto de proteínas que contienen dominios que se unen a determinadas secuencias de DNA. Estos dominios han sido ampliamente utilizados, por ejemplo, en los ensayos de doble híbrido en Proteómica. Pero ahora, el equipo de Ljubljana en el iGEM 2010, les había encontrado una nueva funcionalidad: localizar a las enzimas de rutas metabólicas al fusionar estas enzimas con estos dominios de unión a DNA.

De esta manera, las enzimas se unirían al DNA a través de este dominio de unión y las secuencias nucleotídicas de reconocimiento habrían de dictar el orden y la estequiometría en la que las enzimas quedarían reclutadas. ¿Y cómo le harían las enzimas para llegar hasta estas regiones específicas de unión a DNA? Pues no olvidemos que, como en las bacterias no existe ninguna membrana nuclear que impida el libre acceso al material genético, entonces no habría restricción, teóricamente, al acceso de las enzimas hacia el DNA-andamio.

Rendimiento en la producción de Violaceína utilizando
el scaffold o “programa” ordenado de DNA (verde),
un programa en desorden (rojo), y un programa aleatorio,
como control, en donde no se espera que
las enzimas se unan al DNA.
Finalmente, los chicos de Eslovenia encontraron que sus DNA-andamios no solamente hacían más eficiente la síntesis de violaceína y de carotenoides, sino que además, este aumento de la eficiencia se veía afectado por el orden en el que las enzimas se reclutaban en la secuencia de DNA, teniendo una mayor eficiencia cuando las enzimas se colocaban en el orden que llevan las reacciones que van a dar al producto deseado. Además, también indagaron las posibles aplicaciones en el mejoramiento de circuitos sintéticos, como los osciladores.

Esta gran aportación para la Biología Sintética fue presentada bajo el título “Significados más allá de los codones” y es de esperarse que pronto veamos los primeros resultados de nuevas adaptaciones y fermentaciones a gran escala realizadas utilizando este sistema. Y pues… naturalmente, el equipo iGEM UANL 2011 se decidió por aventurarse en un proyecto diferente.

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