Al famoso físico Richard Feynman se le atribuye la cita: «Lo que no puedo crear, no lo entiendo». Además de informar el enfoque de Feynman a la física teórica, es una buena forma 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 organiza en torno al concepto de utilizar secuencias de ADN como «partes» con funciones reproducibles. Ahora, a través de una colaboración exitosa y el uso de herramientas sofisticadas, Steinmetz Group de EMBL ha obtenido información importante sobre la diversidad de la expresión génica que resulta de la posición o el contexto de estos segmentos de ADN dentro del genoma.
Explicación de la pregunta esencial que motiva la acción, Amanda Hughes – Co-autor principal y postdoctorado en grupo steinmetz – Dijo: «En biología sintética, se tiende a dividir las cosas en partes modulares ‘plug and play’. Estas son las partes del motor, las regiones de codificación y las partes finales. Queríamos probar si estas piezas eran realmente ‘plug and play'». play’, trabajando de la misma manera en cualquier contexto, o si su ubicación afecta su función. Queríamos comprender mejor cómo la organización lineal de los genes afecta su función e identificar los principios generales de diseño que se pueden aplicar a la construcción del genoma».
La caja de herramientas de biología sintética ofrece información contextual
Este trabajo está financiado por la BMBF y la Fundación Volkswagen «¿Vida?» iniciativa, fue posible gracias a dos tecnologías principales: cepas de levadura sintéticas de sc2.0 .consorcio Una 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 loci a una escala que antes era inalcanzable. La experiencia y las herramientas disponibles en Instalación de Genómica Básica en EMBL, incluida la red Oxford Nanopore, permitió al equipo realizar una secuenciación directa y de largo alcance del ARN, lo que permitió identificar el inicio y el final de las moléculas de ARN y asignarlas a reordenamientos específicos. La combinación de estas técnicas de vanguardia ha sido fundamental para medir moléculas de ARN de longitud completa de genes en muchos contextos.
El artículo publicado en saber Se ha demostrado que este contexto, en particular el contexto de la transcripción, 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 reorganizadas aleatoriamente en genomas de levadura sintética. La transferencia de genes afecta la duración y la abundancia de su producción de ARN; Sin embargo, estos cambios no siempre fueron explicados por la nueva secuencia de ADN adyacente. Parece que la transcripción está ocurriendo a su alrededor, y no la secuencia en sí, lo que cambia la producción de ARN del gen.
Extraer principios generales de este gran conjunto de datos aleatorios no fue una tarea trivial, como explicó el autor principal Aaron Brooks: «Para llegar a nuestras conclusiones, tuvimos que monitorear genes en varios contextos genéticos alternativos, que estaban presentes en las cepas SCRaMbLE. Sin embargo, un La recombinación fue Cortar juntos es un gran esfuerzo. Tuvimos que crear un gran conjunto de datos para la secuenciación, lo que a su vez nos obligó a desarrollar nuevas herramientas de software. Tuvimos que confiar en algoritmos sofisticados de aprendizaje automático para ayudarnos a comprender los patrones complejos que estábamos observando. .» El modelado de la producción de ARN de un gen basado en contextos ascendentes y descendentes novedosos reveló que las características relacionadas con los patrones transcripcionales circundantes predicen los límites y la abundancia del ARN. Por ejemplo, si un gen se transfiere a la vecindad de un vecino de alta expresión, su expresión también tiende a aumentar.
Definir los principios de diseño para la construcción del genoma.
Además de arrojar luz sobre la relación entre la abundancia de ARN y la expresión de genes contiguos, los investigadores también observaron una relación convincente entre las posiciones terminales de ARN de genes convergentes (genes orientados con extremos uno hacia el otro). Específicamente, encuentran que la longitud del ARN se ve afectada por la proximidad y la abundancia de transcritos vecinos. Jef Boeke, coautor y director del Consorcio Sc2.0, comentó sobre estos conocimientos: «Perfiles transcripcionales profundos combinados con variaciones genéticas producidas usando [the] El sistema SCRaMbLE nos ha brindado nuevos conocimientos sobre la flexibilidad del genoma de la levadura e indicó que las reglas de dónde termina la transcripción pueden depender sorprendentemente del contexto».
En última instancia, aplicando estos resultados, los investigadores pudieron ajustar la longitud de las moléculas de ARN controlando la transcripción de un gen adyacente. El equipo demostró que las lecciones aprendidas del estudio de transcriptomas de 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 «incrustación transcripcional» que se puede usar para revertir etiquetas de ARN, alterar su estabilidad, traducir en proteínas o incluso localizar. Creen que todo esto se puede lograr controlando la expresión de un gen conjugado vecino en lugar del gen en sí.
«La naturaleza imparcial y de alto rendimiento del enfoque de edición de genes utilizado aquí nos lleva a descubrir las funciones de las secuencias genéticas en diferentes contextos genómicos, algo que antes no era factible a gran escala», dijo Lars Steinmetz, líder de grupo en EMBL. . “Este enfoque confirma que el contexto es importante en la regulación de los extremos de la transcripción; sorprendentemente, incluso permite predicciones dependientes del contexto de los extremos de la transcripción cuando los genes se reorganizan en nuevos sitios. En última instancia, el trabajo revela que existe una regulación fina e interconectada de elementos genéticos vecinos, que involucra múltiples genes que determinan dónde comienza y termina la transcripción. La capacidad de predecir estas interacciones puede guiarnos hacia los «principios de diseño» clave para la construcción del genoma; Es decir, dónde están mejor ubicados los genes y cómo deben colocarse en relación unos con otros. Estas ideas avanzan en las herramientas de ingeniería de transcriptomas sin alterar la secuencia en sí, sino modificando la expresión de genes adyacentes». Su trabajo se suma a un repertorio creciente de principios de diseño que se pueden aprovechar para lograr una gran comprensión de la biología sintética: diseñar y construir un genoma desde cero.
referencia: Aaron Brooks N, Amanda Hughes L, Clauder-Munster Sandra, Mitchell-Leslie A, Buck Jeff D, Steinmetz Lars M. Los transcriptomas regulan la longitud de las isoformas y los niveles de expresión. saber. 2022; 375 (6584): 1000-1005. dui: 10.1126 / ciencia.abg0162.
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