No puedo vivir sin ti: los genes esenciales para vivir.

¿Genes esenciales para vivir? El genoma es el conjunto del ADN que tenemos los seres vivos. En él se almacena toda la información necesaria para que nuestro organismo funcione, e incluye genes y otras secuencias reguladoras. Aunque hay muchas funciones esenciales para la vida, también hay funciones que no son fundamentales para su supervivencia. Por ejemplo, en condiciones favorables y abundancia de agua, una bacteria podría vivir sin genes de resistencia a desecación; por su parte, las células de las raíces de muchas plantas no necesitan hacer la fotosíntesis, pues eso lo hacen las células de las partes verdes. Los genes responsables de esas funciones imprescindibles son conocidos como ‘genes esenciales’.

El estudio de la esencialidad de algunos genes tiene múltiples aplicaciones en biomedicina y biotecnología. Saber qué genes necesita una célula cancerosa para seguir viviendo puede ser encontrar su talón de Aquiles, y permitir desarrollar un nuevo tratamiento contra el cáncer.

Las instrucciones de la vida: el genoma

Al total del ADN de un organismo lo denominamos genoma. La información que se almacena en el genoma se transforma en órdenes mediante la llamada ‘expresión de genes’. Este proceso comprende dos pasos: en primer lugar, el ADN se transcribe en una molécula de ARN mensajero; y, en segundo lugar, este ARN mensajero se traduce en una proteína, que es capaz de llevar a cabo la función de ese gen. No obstante, no todos los genes terminan convirtiéndose en proteínas, pues algunos tienen la función de regular múltiples procesos.

Decimos que un gen es esencial cuando, en unas condiciones determinadas, las células no pueden funcionar con normalidad en ausencia del mismo o cuando su transcripción no es correcta. Aunque hay genes esenciales tanto en organismos unicelulares sencillos (bacterias, entre otros) como en organismos superiores, como los seres humanos, el criterio de esencialidad depende de varios factores.

En el caso de los organismos unicelulares (bacterias, por ejemplo), depende de las condiciones de crecimiento: si crecen con un único tipo de alimento, será esencial tener el gen que les permita utilizarlo; si crecen con un antibiótico, será esencial tener el gen que les dé resistencia. En el caso de organismos pluricelulares (seres humanos, por ejemplo) es más complejo al haber diferentes tipos de células en el mismo cuerpo. Las neuronas, por ejemplo, no tienen las mismas necesidades y funciones que las células de la sangre o de los huesos, y todas deben poder funcionar en conjunto.

genes esenciales para vivir
Nuestros genes esenciales para vivir

Bacterias y otros organismos unicelulares

En el caso de los microorganismos unicelulares (bacterias, levaduras, hongos, algas…) ha sido más fácil estudiar la ‘esencialidad’ de los genes que en organismos más complejos (animales, plantas…). Sus genomas son relativamente pequeños (especialmente en bacterias), y se pueden hacer modificaciones en ellos de manera sencilla.

Por un lado, mediante cambios en los genes (mutaciones) podemos impedir que funcionen con normalidad, bien anulando por completo su función o bien modificándola. Por otro lado, también se puede estudiar interfiriendo en la expresión de genes, mediante el ‘silenciamiento génico’. Este silenciamiento bloquea los ARN mensajeros formados en la transcripción para que no se traduzcan a proteínas. Esto permitió estudiar la función que tienen las proteínas que provienen del gen modificado o bloqueado viendo las consecuencias en el desarrollo del organismo: si crece igual o peor, si alguna función parece afectada, si tiene el mismo aspecto o no, etc.

En general, los microorganismos tienen varios cientos de genes esenciales (Peters et al., 2016). Estos genes están fundamentalmente relacionados con la replicación de ADN y división celular (reproducción), síntesis de proteínas y lípidos de membrana, y el metabolismo central (Grazziotin et al., 2015).

Organismos superiores

En el caso de los organismos pluricelulares eucariotas (animales, plantas, hongos y algas), el estudio de esto es mucho más complejo. Por un lado, sus genomas son más grandes (entre mil y cien mil veces más) (Brown, 2002) y, por otro, existen diferentes tipos celulares en estos organismos. En los seres humanos, la mayoría de los genes esenciales para la supervivencia y proliferación celular también están relacionados con las funciones de replicación de ADN, transcripción y traducción de proteínas (es decir, la multiplicación celular y expresión génica) (Wang et al., 2015).

La diferencia principal que existe entre los organismos superiores y los unicelulares es que presentan poblaciones y tipos celulares muy diferentes, que forman tejidos, órganos y sistemas. Por ejemplo, en los animales podemos encontrar células del sistema nervioso, de los músculos, del esqueleto, etc. Cada tipo celular tiene funciones específicas para cada grupo: las neuronas participan en la transmisión de los impulsos nerviosos; los glóbulos rojos transportan oxígeno a todo el organismo; las células del hígado almacenan azúcares de reserva; las células de las hojas hacen la fotosíntesis y las de las raíces absorben agua y minerales.

Aunque todas las células de un organismo tienen el mismo genoma, cada tipo celular utiliza una parte para llevar a cabo las funciones que le corresponden en el organismo completo. Para eso, cada una de ellas transcribe solo una fracción específica de los genes que tiene, además de lo que necesita ella misma para sobrevivir y proliferar. Esto hace necesario el estudio de la esencialidad más allá de los modelos animales o celulares (Bartha et al., 2018). Quizá para una célula aislada un cambio no sea letal, pero sí impida que se desarrolle sano un individuo completo.

Aplicaciones de los genes esenciales

El estudio de los genes esenciales es de gran relevancia para el diseño de nuevas estrategias en medicina. Por un lado, saber qué genes son aquellos sin los cuales una bacteria no puede sobrevivir nos permite poder desarrollar antibióticos específicos que ataquen a esa diana (Mobegi et al., 2014). Por otro lado, en el caso de las células eucariotas, podría ser interesante para abordar nuevos tratamientos específicos en cáncer (Wang et al., 2015), una enfermedad causada por una proliferación descontrolada de las células, que se vuelven ‘inmortales’. Conocer qué es aquello sin lo cual la célula no puede seguir proliferando, podría ayudar a poner fin a su ‘inmortalidad’.

Además, en el campo de la biotecnología industrial puede ser de gran interés para aumentar el rendimiento de procesos de síntesis. Mediante la mutación de rutas y genes no esenciales, podemos hace que una célula deje de ‘trabajar’ en aquello que no le hace falta. De este modo, ‘redirigimos’ todos los esfuerzos de la célula a fabricar un compuesto de interés (antibióticos, proteínas, pigmentos, etc) (Fang et al., 2017). Dejamos el ‘multitasking’ celular para centrarnos en una única actividad. Esto no solo aumentaría el rendimiento por producir más cantidad, sino también por reducir el coste y el esfuerzo que implica purificar nuestras moléculas de interés de entre todos los productos que no nos interesan.

Los genes esenciales no solo nos informan de la importancia que tienen algunos procesos en la supervivencia de las células y su correcto funcionamiento. También nos plantean cuestiones acerca de qué es lo mínimo que podemos considerar vida, un tema de amplio debate en ciencia. ¿Cuál sería el conjunto mínimo de genes que podría hacer funcionar de manera autónoma una célula? ¿Podemos ‘fabricar’ una bacteria con lo mínimo para sobrevivir? ¿Es ‘vida’ un organismo que vive en una simbiosis estricta al que le faltan genes considerados ‘esenciales’ en sus equivalentes de vida libre?

Referencias

Bartha, I., di Iulio, J., Venter, J. C., Telenti, A. (2018). Human gene essentiality. Nature Reviews Genetics. 19:51-62.

Brown TA. Genomes. 2ª edición. Oxford: Wiley-Liss; 2002. Capítulo 2, Genome Anatomies. Disponible en : https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21120/

Fang, H., Kang, J., Zhang, D. Microbial production of vitamin B12: a review and future perspectives. Microb Cell Fact. 16(1):15.

Grazziotin, A. L., Medeiros Vidal, Newton., Motta Venancio, T. (2015). Uncovering major genomic features of essential genes in Bacteria and a methanogenic Archaea. FEBS J. 282(17):3395-3411.

Mobegi, F. M., van Hijum, S. A., Burghout, P., Bootsma, H. J., de Vries, S. P., van der Gaast-de Jongh, C. E., et al. (2014). From microbial gene essentiality to novel antimicrobial drug targets. BMC Genomics. 15(1):958.

Peters, J. M., Colavin, A., Shi, H., Czarny, J. L., Larson, M. H., Wong, S., et al. (2016). A comprehensive, CRISPR-based functional analysis of essential genes in bacteria. Cell. 165(6):1493-1506.

Wang, T., Birsoy, K., Hughes, N. W., Krupczak, K. M., Post, Y., Wei, J. J. et al (2015). Identification and characterization of essential genes in the human genome. Science. 350(6264):1096-101.

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Esther Molina

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