AGENTEX prueba códigos genéticos rediseñados sin reescribir una célula

AGENTEX, siglas en inglés de Automated Genetic tRNA Expansion, cambia el orden habitual de la ingeniería del código genético. En lugar de modificar primero el genoma de un organismo y descubrir después si el sistema de traducción funciona, los investigadores pueden ensamblar distintas propuestas fuera de la célula, probarlas con robots y seleccionar los diseños más prometedores para futuros experimentos celulares. 6

El trabajo descrito respalda sistemas capaces de utilizar hasta 34 componentes aminoacídicos, frente a los 20 aminoácidos empleados por el código biológico estándar. 7 La clave no es crear más de 64 codones —el límite de combinaciones de tres bases—, sino conseguir que un número mayor de ellos pueda emplearse con asignaciones alternativas.

El problema que AGENTEX evita al principio

El código genético estándar relaciona 64 codones de tres bases con 20 aminoácidos, además de las señales de inicio y terminación. Como varios codones pueden especificar el mismo aminoácido, existe cierta redundancia que abre la puerta a reasignarlos.

En una célula viva, sin embargo, cambiar el significado de un codón puede ser muy peligroso. Ese mismo codón puede aparecer en miles de genes esenciales; si empieza a indicar otro aminoácido, muchas proteínas podrían fabricarse de forma incorrecta. Por eso, una estrategia celular suele exigir localizar y reemplazar o eliminar todas sus apariciones en el genoma, además de impedir que la maquinaria de traducción natural compita con el sistema diseñado.

AGENTEX desplaza el primer ensayo al tubo de ensayo. Los investigadores suministran una combinación personalizada de componentes de traducción y comprueban si el mapa codón-aminoácido propuesto produce la proteína o el péptido esperado antes de emprender una modificación genómica a gran escala. 615

Cómo se rediseña el código

Un codón se interpreta mediante la interacción entre el ARN mensajero, un ARN de transferencia —ARNt— y la maquinaria de traducción. AGENTEX se centra en modificar esas relaciones moleculares, en vez de asumir que el código natural es inamovible.

El trabajo investigó ribosomas, ARNt y aminoacil-ARNt sintetasas —las enzimas que cargan los aminoácidos en los ARNt— diseñados para reconocerse entre sí y mantenerse separados del sistema de traducción estándar. También empleó métodos automatizados para analizar bibliotecas de ARNt sintéticos y determinar cuáles podían cargarse con los aminoácidos adecuados. 6

Así, determinados codones pueden asignarse a aminoácidos distintos, incluidos aminoácidos no estándar, dentro de una reacción reconstruida y sin células. Sistemas reconstituidos que utilizaban ARNt transcritos in vitro ya habían demostrado que la traducción podía funcionar con códigos simplificados o intercambiados; AGENTEX amplía ese principio mediante un flujo de prototipado automatizado y multiplexado. 5

Los resultados descritos incluyen dos códigos genéticos rediseñados evaluados junto al código estándar, con la reasignación de hasta tres codones y la incorporación de aminoácidos no estándar. 8 Como cada sistema alternativo se construye con su propio conjunto compatible de componentes, varias propuestas pueden compararse dentro del mismo marco experimental sin imponer una nueva interpretación a todo un genoma vivo.

Por qué la automatización es importante

Un código genético no es solo una tabla. Para que una reasignación funcione, los ARNt deben reconocer los codones previstos, las sintetasas deben cargarlos con los aminoácidos correctos y el ribosoma debe aceptar esos complejos con suficiente precisión y eficiencia. Los sistemas de traducción sin células permiten añadir, retirar o intercambiar estos componentes individualmente. 1516

AGENTEX utiliza ese control para acelerar el ciclo de diseño, construcción y prueba:

1. Diseñar una tabla de codones y los componentes necesarios para aplicarla.
2. Construir las combinaciones de ARNt, sintetasas y ribosomas en una reacción sin células.
3. Probar la carga de los ARNt, la traducción y la incorporación de los aminoácidos seleccionados.
4. Comparar el rendimiento, la fidelidad y la ortogonalidad —la capacidad de no interferir con otros sistemas— de numerosas propuestas.
5. Avanzar solo los diseños más sólidos hacia experimentos biológicos más exigentes.

La ventaja práctica es doble: velocidad y variedad. Un diseño fallido puede descartarse como una reacción que no funcionó, en lugar de convertirse en un proyecto fallido de ingeniería de un organismo. Uno exitoso puede perfeccionarse antes de afrontar la edición genómica, la construcción de cepas y la validación biológica necesarias en una célula. 6

Lo que AGENTEX todavía no ha resuelto

AGENTEX demuestra una plataforma de traducción in vitro; por sí sola, no crea un organismo viable capaz de mantener, replicar y regular un código genético ampliamente rediseñado.

Trasladar uno de estos códigos a una célula exigiría resolver varios obstáculos:

• Compatibilidad con todo el genoma: los codones reasignados quizá deban eliminarse o reemplazarse en todos los genes para evitar errores de traducción.
• Control de los componentes: los ARNt, las sintetasas y posiblemente los ribosomas diseñados tendrían que funcionar de manera fiable junto a la maquinaria natural, o sustituirla.
• Disponibilidad de aminoácidos: la célula debería obtener o sintetizar cada aminoácido no estándar y llevarlo a la ruta de traducción correcta.
• Carga selectiva: las sintetasas tendrían que unir el aminoácido previsto al ARNt correcto sin provocar reacciones cruzadas. 5
• Rendimiento biológico: el sistema debería conservar niveles adecuados de producción proteica, precisión, crecimiento y herencia a lo largo del tiempo.

Los avances celulares anteriores muestran la magnitud del reto. Un sistema reciente en células de mamífero informó de la incorporación de hasta cinco aminoácidos sintéticos distintos en una sola proteína mediante la reutilización de codones poco frecuentes. 4 Es un resultado celular importante, pero no equivale a demostrar un organismo estable y autorreplicable que utilice el diseño de 34 aminoácidos de estilo AGENTEX. El material disponible no establece que se haya construido un organismo de ese tipo.

Qué podría permitir la plataforma

Un alfabeto químico mayor para diseñar proteínas

Las proteínas naturales se ensamblan a partir de un conjunto relativamente reducido de aminoácidos. Los códigos más flexibles podrían permitir explorar proteínas y biopolímeros peptídicos con grupos químicos, cadenas laterales o estructuras del esqueleto molecular inaccesibles mediante la traducción convencional. El trabajo de AGENTEX relaciona específicamente la plataforma con la síntesis de biopolímeros peptídicos y el prototipado de códigos genéticos bajo demanda. 6

Nuevos candidatos para desarrollar fármacos

Los aminoácidos no estándar pueden aportar reactividad, estabilidad u oportunidades de conjugación controlada. AGENTEX podría facilitar el cribado temprano de muchas moléculas candidatas. Esto representa una ventaja en la fase de descubrimiento y diseño, no una prueba de que exista ya un medicamento basado en AGENTEX. Cualquier aplicación terapéutica tendría que superar las comprobaciones habituales de actividad, seguridad, administración y fabricación.

Materiales programables

La síntesis ribosomal ofrece control sobre la secuencia. Si se combina con un conjunto más amplio de componentes químicos, puede abrir la búsqueda de biomateriales con propiedades nuevas de unión, catálisis, óptica, resistencia mecánica o autoensamblaje. Los sistemas sin células ya han producido proteínas activas mediante códigos rediseñados, lo que proporciona una base para este tipo de experimentos. 5

Un posible camino hacia el aislamiento genético

Un código suficientemente distinto podría dificultar que organismos diseñados intercambiasen información genética funcional con organismos naturales o que fueran aprovechados por parásitos biológicos comunes. AGENTEX no demuestra ese resultado. Su contribución inmediata es permitir la comparación de códigos ortogonales candidatos antes de intentar instalarlos en un sistema vivo y reproductivo.

En qué se diferencia de los enfoques anteriores

La expansión tradicional del código genético suele comenzar asignando un aminoácido no estándar a un codón de terminación o liberando un pequeño número de codones mediante una extensa edición del genoma. Otros trabajos han demostrado diseños más amplios, incluido un sistema de 68 codones capaz de incorporar cuatro aminoácidos no canónicos distintos en una sola proteína. La investigación sin células también ha producido códigos intercambiados o simplificados utilizando ARNt diseñados o transcritos in vitro. 35

La aportación distintiva de AGENTEX es, por tanto, tanto el flujo de trabajo como el número de aminoácidos: permite crear prototipos multiplexados y automatizados de sistemas de traducción antes de recodificar una célula. Funciona como una capa de cribado entre una idea teórica de código genético y un organismo vivo.

Ese filtro puede revelar incompatibilidades antes, reducir trabajo desperdiciado y ampliar el número de arquitecturas que los investigadores pueden poner a prueba. La cautela central sigue siendo la misma: AGENTEX hace más sencillo prototipar códigos genéticos alternativos, pero no elimina los problemas biológicos y de ingeniería que implica hacerlos funcionar dentro de una célula.