Modelando los genes esenciales de la vida microbacteriana

La UE ha ayudado a definir el conjunto básico de genes que una célula necesita para sobrevivir, promoviendo nuevos enfoques dela  bioingeniería para bacterias y otros microorganismos con aplicaciones en la salud, alimentación y nutrición.

El trabajo innovador promete aumentar la producción de los productos farmacéuticos, vitaminas y alimentos funcionales que mejoran la salud, así como otras sustancias orgánicas y químicas que pueden ser producidas por microbios genéticamente modificados.

Los alimentos mejorados con microorganismos probióticos y sustancias orgánicas funcionales, por ejemplo, podrían desempeñar un papel importante en el desarrollo de nuevos enfoques para mitigar la hipertensión, la diabetes y la obesidad, así como las enfermedades relacionadas con la edad.

La investigación, realizada en la Universidad de California en San Diego, ha sido apoyada por el desarrollo de herramientas computacionales de vanguardia para la bioingeniería por Andreas Dräger, un investigador de bioinformática de la Universidad de Tübingen en Alemania.

En el proyecto AMBICON, Dräger lideró el desarrollo de algoritmos avanzados, software especializado y nuevos estándares de codificación para crear poderosos modelos computacionales multinivel de sistemas biológicos, aprovechando grandes cantidades de datos genómicos, celulares y experimentales.

“Estos modelos son capaces de predecir tanto la tasa de crecimiento de células como las bacterias, teniendo en cuenta los efectos de diferentes condiciones físico-químicas y modificaciones genéticas. Lo que demuestra, que los microorganismos mejorados genéticamente pueden ser diseñados manteniendo su capacidad para mantener una vida sana”, explicó Dräger. “En otras palabras, con esta técnica ya no hay un conflicto entre el aumento de la tasa de producción de los productos biológicos deseados y la capacidad del organismo manipulado para mantener sus funciones fundamentales”

Los enfoques anteriores para diseñar microorganismos mejorados al hacer cambios en la composición genética de una célula a menudo, impactaron inadvertidos en el “paleoma” o denominado, el conjunto básico de genes que los microbios necesitan para funcionar y sobrevivir.

Mejora de las células funcionales y saludables

En lugar de correr el riesgo de comprometer los genes y funciones centrales de la célula, el nuevo enfoque de ingeniería basado en los modelos computacionales AMBICON permite definir la célula con el conjunto esencial de genes y, a continuación, agregar funciones adicionales añadidas, como el aumento de la producción de vitaminas, nutrientes u otros Bio-productos y sustancias químicas.

Del mismo modo, el proyecto también contribuyó a un nuevo método para determinar el conjunto mínimo de proteínas que un microorganismo necesita para un crecimiento saludable, y para aumentar aún más la tasa de producción de bio-productos deseados.

En los ensayos, las herramientas permitieron desarrollar un modelo computacional a escala de genoma para definir el paleoma de las bacterias E-coli. Utilizando este modelo, los investigadores simularon el crecimiento de una cepa bien estudiada de E-coli a través de 333 diferentes condiciones de crecimiento, variando la fuente de nutrientes del medio de crecimiento a través de elementos tales como carbono, nitrógeno, fósforo y azufre.

El equipo observó qué conjunto de genes se expresó consistentemente en todos los diferentes ambientes de crecimiento y utilizó este conjunto para construir el paleoma, identificando 356 genes que son esenciales para la función y supervivencia de al menos dos cepas de E-coli y otros tres microorganismos.

“Construir modelos informáticos altamente detallados de sistemas biológicos es un esfuerzo laborioso y difícil. Estos modelos son muy complejos, comprendiendo un gran número de interacciones bioquímicas detalladas, complejas ecuaciones matemáticas y vastos conjuntos de datos extraídos de un creciente cuerpo de información biológica de alta calidad “, explica Dräger. “Con las nuevas herramientas computacionales y estándares de codificación, esta gran cantidad de datos puede ahora organizarse en un modelo coherente que describa con precisión la estructura de las células y permite simulaciones por ordenador, visualizaciones y análisis de numerosos sistemas biológicos.”

Dräger se financió a través del programa de becas Marie Skłodowska-Curie de la UE. AMBICON dio como resultado la publicación de 17 artículos en revistas científicas y dio lugar a dos estudios en curso sobre el terreno, que proporcionaron una base fructífera para otros proyectos.

Dräger también ha sido elegido como editor para el desarrollo del estándar SBML, un formato común para el software de biología de sistemas en el que los modelos AMBICON están codificados. Los modelos y herramientas, que están disponibles gratuitamente para su descarga y uso, han sido adoptados por los principales desarrolladores de software de bioinformática, abriendo nuevas vías para una amplia gama de investigaciones futuras.