Por primera vez en el mundo, el grupo de investigación del profesor Norikazu Ichihashi y sus colegas del Instituto Komaba para la Ciencia y el Instituto de Biología Universal de la Escuela de Graduados en Artes y Ciencias de la Universidad de Tokio lograron inducir extracelularmente la expresión génica del ADN, un característica de los organismos vivos, y la evolución a través de la replicación continua, utilizando únicamente materiales inanimados, como los ácidos nucleicos y las proteínas.
Este resultado de investigación se logró en el proyecto “Desarrollo de un sistema de traducción, transcripción y replicación del genoma artificial autorregenerativo” en el marco de la Investigación de tipo de equipo de los Programas de investigación básica estratégica JST (CREST).
La capacidad de proliferar y evolucionar es una característica importante de los organismos vivos, lo que permite a los humanos utilizar estos organismos como fuente de alimento y producción material. Sin embargo, muchos organismos no son convenientes para el uso humano y sus aplicaciones han sido limitadas.
Por lo tanto, el grupo de investigación se propuso desarrollar ADN artificial que pudiera proliferar y evolucionar.
En este estudio, como primer paso, construyeron un sistema in vitro en el que el ADN se replica mientras expresa los genes que codifica para sí mismo. Además, el ADN con capacidades de replicación mejoradas podría evolucionar espontáneamente a lo largo de muchas generaciones de replicación de ADN en estructuras de microcompartimentos, como las células.
Como mecanismo para la replicación a largo plazo y la evolución del ADN genómico artificial, primero se codificaron dos genes directamente necesarios para la replicación del ADN en el ARN genómico artificial (enzima de replicación de ADN Phi29 y recombinasa Cre).
Cuando estos genes reaccionan en un sistema de transcripción y traducción sin células, el ADN se replica en un modo de replicación. La replicación del ADN junto con este sistema de transcripción y traducción se encapsuló en microgotas de agua y se realizaron más de 30 pases de la reacción mientras se suministraba el sistema de transcripción y traducción sin células.
Las mutaciones se introducen en el ADN durante esta replicación. Si la mutación permite una mejor replicación del ADN, se selecciona naturalmente porque la mutación da como resultado más copias que las de otro ADN, lo que lleva al fenómeno llamado evolución darwiniana. De hecho, 30 pasajes dieron como resultado la acumulación de múltiples mutaciones y la evolución de ADN genómico artificial con capacidades de replicación más de 10 veces superiores a las del ADN original.
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El profesor Ichihashi comentó: “Actualmente, este ADN solo puede replicarse a sí mismo, pero creemos que al agregar varios genes a este ADN y optimizarlo aún más mediante sistemas evolutivos, el ADN puede convertirse en un sistema molecular artificial que contribuye a la producción material. .”
■ Sistema de transcripción y traducción sin células: solución de reacción que contiene todos los factores necesarios para la transcripción del ARN de los genes codificados por el ADN y su traducción en proteínas fuera de la célula.
