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El fantástico viaje de la síntesis de proteínas libres de células: ¿Cómo crear el código de la vida en el laboratorio?
Con el avance continuo de la ciencia y la tecnología, la síntesis de proteínas libres de células (CFPS) se ha convertido gradualmente en una tecnología indispensable en los campos de la investigación biológica y farmacéutica. Esta tecnología permite a los investigadores utilizar la maquinaria biológica dentro de la célula para sintetizar la proteína deseada sin depender de células vivas.
Introducción
La síntesis de proteínas sin células funciona mediante el uso de extractos celulares, combinando fuentes de energía, aminoácidos, cofactores como el magnesio y ADN que contiene el gen que se va a expresar. Al lisar las células y eliminar impurezas como las paredes celulares, el extracto celular obtenido contiene diversos mecanismos biológicos necesarios para la síntesis de proteínas. Los sistemas sin células ofrecen una mayor flexibilidad para controlar el entorno sintético que la síntesis intracelular tradicional, lo que hace que la síntesis de proteínas sin células sea más ventajosa para determinadas aplicaciones.
El entorno para la síntesis de proteínas libres de células no está restringido por la pared celular ni por la homeostasis celular.
Ventajas y Aplicaciones
La síntesis de proteínas sin células tiene muchas ventajas obvias sobre la síntesis tradicional in vivo, siendo la más notable su rapidez. La preparación para las reacciones con CFPS generalmente solo toma de 1 a 2 días, mientras que la expresión de proteínas en células vivas puede demorar de 1 a 2 semanas. Además, la naturaleza abierta del CFPS permite a los investigadores controlar directamente el entorno químico, facilitando el muestreo y el seguimiento de las reacciones.
Además, el CFPS también es capaz de sintetizar eficientemente proteínas tóxicas, lo que supondría un obstáculo a la hora de utilizar células vivas. Por lo tanto, los sistemas sin células son ideales para muchas aplicaciones como:
- La incorporación de aminoácidos no naturales en las estructuras de las proteínas amplía el alcance de las aplicaciones del código genético.
- CFPS también ha demostrado su potencial en la síntesis de nanomáquinas y modelos de circuitos de ácido nucleico.
- Desarrollar partículas similares a virus para su uso en vacunas, tratamientos farmacológicos, etc.
Factores limitantes
Aunque CFPS tiene varias ventajas, todavía existen algunos desafíos. Particularmente en términos de degradación del ADN, las nucleasas endógenas en extractos celulares son particularmente destructivas para las plantillas de expresión lineal (LET). Los investigadores descubrieron que, aunque el ADN circular (como los plásmidos) no se ve afectado por las nucleasas terminales, los LET son vulnerables al ataque de estas enzimas debido a sus características estructurales. Por lo tanto, muchos estudios se centran actualmente en mejorar el rendimiento de los LET para lograr resultados de rendimiento comparables a los de los plásmidos.
Los investigadores utilizaron la proteína del bacteriófago lambda gam para proteger LET, aumentando así significativamente el rendimiento de CFPS.
Tipos de sistemas libres de células
Los extractos libres de células utilizados actualmente se derivan principalmente de Escherichia coli (E. coli), glóbulos rojos de conejo, germen de trigo, células de insectos y levaduras, etc., y todos están disponibles comercialmente. El extracto de E. coli es la opción más popular debido a su bajo costo y rendimiento eficiente. Sin embargo, si se realizan múltiples modificaciones posteriores en la proteína, es necesario seleccionar el sistema eucariótico correspondiente para obtener un mejor rendimiento.
Al seleccionar un extracto, se deben tener en cuenta el tipo de modificación posterior deseada, el rendimiento y el costo.
Antecedentes históricos
La síntesis de proteínas sin células tiene una historia de más de 60 años. Desde los primeros experimentos realizados por Marshall Nirenberg y Heinrich J. Matthaei en los Institutos Nacionales de Salud en 1961, utilizaron un sistema sin células para traducir una cadena de ARN de poliuracilo. secuencias y sintetizaron con éxito sólo polipéptidos que contienen fenilalanina, establecieron así la conexión entre el codificador y el aminoácido y promovieron un mayor desarrollo de la biología molecular.
En conjunto, el desarrollo de la tecnología de síntesis de proteínas libres de células y sus diversas perspectivas de aplicación hacen que los científicos se pregunten si la ciencia y la tecnología futuras podrán traspasar aún más los límites actuales y lograr resultados más sorprendentes a medida que los científicos continúan explorando los misterios de la vida.
