La técnica retro avanza la ingeniería bacteriana moderna para la bioenergía

Los científicos del Laboratorio Nacional de Oak Ridge tuvieron problemas para mapear los genomas de las bacterias para comprender mejor los orígenes de sus rasgos físicos y mejorar su función para la producción de bioenergía. El método que habían utilizado con éxito para el mapeo genético de la materia prima vegetal para biocombustibles se basaba en la creación y luego en el análisis de diversas variantes recombinadas sexualmente, mientras que las bacterias generalmente se reproducen asexualmente con una diversidad limitada.

«Las bacterias no se reproducen de la manera que necesitábamos. Generalmente se reproducen por división, donde pasas de una célula madre a dos células hijas que tienen esencialmente el mismo genoma que el padre», dijo Josh Michener, líder del proyecto en la División de Biociencias de ORNL.

La solución llegó en una herramienta de investigación genética desarrollada por primera vez en la década de 1970: la fusión de protoplastos. Los científicos pudieron cruzar cepas de Bacillus utilizando esta técnica y han producido una gran población de organismos genéticamente dispares, lo que dará como resultado una mayor comprensión de la variación genómica y las características físicas resultantes.

La fusión de protoplastos es un método clásico de ingeniería genética en el que las células se despojan de su capa externa y se fusionan químicamente, lo que permite la recombinación entre los cromosomas de los padres. Si bien los investigadores han utilizado la técnica durante décadas, primero como una técnica genética de rutina y luego como una herramienta para diseñar rasgos como la producción de antibióticos en microorganismos, los reordenamientos cromosómicos subyacentes no se conocían bien.

«Cuando los científicos utilizaron esta técnica de fusión de protoplastos en el pasado, no sabían realmente cómo eran los genomas de la progenie debido a las limitaciones técnicas de la época», dijo Michener. «Pudimos revivir la técnica y hacerla más sencilla. Básicamente, nos beneficiamos de 50 años de desarrollo en el campo para poder hacer este tipo de cruce y luego examinar de docenas a cientos de la progenie».

Los investigadores utilizaron métodos computacionales para analizar los genomas de la progenie resultante y mapearlos hasta sus padres. «Podríamos decir que este pequeño fragmento de ADN en el genoma proviene del padre A y luego otro pequeño fragmento del padre B, y así sucesivamente», dijo Michener.

Encontraron recombinación en todo el genoma a través de una variedad de escalas de longitud, como se describe en Investigación de ácidos nucleicos. «Tuvimos piezas pequeñas y grandes de intercambio de ADN, y el proceso parecía ser en su mayoría aleatorio. Esas son exactamente las características que queríamos para habilitar el mapeo genético».

Desde entonces, el equipo ha llevado a cabo un total de cuatro rondas de recombinación, lo que ha dado como resultado unas 500 progenie completamente secuenciadas y altamente barajadas. Un equipo de biología de sistemas computacionales dirigido por Dan Jacobson de ORNL está implementando métodos de aprendizaje automático para acelerar el fenotipado y el mapeo a través de paneles de bacterias para identificar vínculos entre los rasgos físicos deseados y sus bases genéticas.

El resultado es una nueva capacidad de mapeo de rasgos microbianos que podría acelerar el diseño de microbios que sean, por ejemplo, mejores para descomponer la biomasa vegetal para la producción de biocombustibles limpios.

«Una de las conclusiones del proyecto es que hay una gran cantidad de información útil en la literatura antigua», dijo Michener. «A veces no se trata solo del enfoque más nuevo y elegante».

El descubrimiento se suma a las fortalezas centrales en el mapeo genético por las que se conoce al Centro de Innovación en Bioenergía de ORNL, agregó Michener. Otros miembros del equipo de investigación fueron Delyana Vasileva, Jared Streich, Leah Burdick, Dawn Klingeman, Hari Chhetri, Christa Brelsford, Chris Ellis y Dan Close.