Un estudio del MIT que explicó cómo las bacterias ahorran energía podría cambiar el diseño de genes sintéticos

A lo largo de la historia, la ciencia ha buscado entender cómo las bacterias controlan la producción de proteínas sin malgastar recursos, una cuestión clave para su supervivencia y adaptación.

Una incógnita era cómo estos microorganismos evitan la síntesis excesiva de ARN (ácido ribonucleico) que no cumple una función, ya que fabricar moléculas innecesarias implica una pérdida energética crucial. En ese contexto, las proteínas conocidas como factores de terminación, especialmente Rho, cobran relevancia porque cortan la producción de ARN cuando ya no es útil para la célula.

Se pensaba que la protección frente a la acción de Rho dependía de que dos máquinas moleculares —la ARN polimerasa, que copia la información del ADN, y los ribosomas, que traducen el mensaje a proteínas— trabajaran pegadas una a la otra, formando una defensa conjunta.

Sin embargo, en bacterias como Bacillus subtilis, este “acoplamiento” no siempre sucede: la ARN polimerasa puede adelantarse y dejar ARN expuesto a la acción de Rho, sin que eso provoque una degradación masiva de mensajes funcionales. En otras palabras, la bacteria protege sus instrucciones útiles incluso cuando sus propias máquinas internas no trabajan en sincronía, y nadie sabía por qué.

El motivo detrás de esta selectividad permanecía sin explicación, hasta que un estudio publicado en la revista Nature Microbiology aportó la respuesta. El hallazgo, realizado por un equipo dirigido por Gene-Wei Li y Julia Dierksheide en el Massachusetts Institute of Technology (MIT), muestra que una abundancia de purinas —las bases adenina y guanina— en los genes codificantes actúa como un escudo molecular frente a Rho, permitiendo que sólo el ARN no útil sea eliminado.

Para decirlo de forma sencilla, el descubrimiento no es solo un avance en biología básica: tiene consecuencias directas en la forma en que los científicos diseñan genes artificiales para producir medicamentos, vacunas o proteínas de uso industrial. Hasta ahora, muchos genes sintéticos fallaban sin una explicación clara. Este hallazgo revela que la razón era simple: estaban escritos en el “idioma equivocado” para la bacteria.

El código invisible que protege los genes funcionales

Según se indica en el comunicado institucional del MIT, la investigación reveló que la preferencia por purinas en los genes es suficiente para impedir el accionar de Rho. Esto significa que el patrón con alto contenido de adenina y guanina en los genes funcionales bloquea la acción de Rho sobre el ARN mensajero necesario, mientras que el resto de secuencias, ricas en pirimidinas (citosina y timina), quedan desprotegidas y son eliminadas.

“El hecho de que la secuencia sola sea suficiente para proteger cualquier gen en todo el genoma fue realmente sorprendente”, explicó Julia Dierksheide, doctora del MIT y primera autora del trabajo, según recoge el comunicado de prensa.

Desde el punto de vista técnico, los investigadores aplicaron técnicas de análisis genético masivo con miles de fragmentos de ADN y observaron que la mayor proporción de purinas en genes codificantes constituye una “barrera química” que favorece la producción de proteínas útiles, simplificó el MIT en su información institucional.

En palabras sencillas, la manera en que está “escrito” el ADN permite a la bacteria proteger lo esencial y dejar el “ruido” genético bajo control.

Rho, control de calidad y evolución genética bacteriana

El modelo de regulación difiere en otras especies bacterianas, como Escherichia coli, donde la cercanía continua entre el ribosoma y la ARN polimerasa es lo que impide la acción de Rho sobre el ARN funcional. En Bacillus subtilis, el estudio comprobó que Rho actúa principalmente sobre fragmentos de ARN no codificantes, ricos en pirimidinas, y sólo elimina lo que no se necesita.

En el comunicado de prensa, Dierksheide afirmó: “Parece que el propio Rho ha condicionado la evolución del genoma para crear estos sesgos en la composición de las secuencias”.

Las pruebas indicaron que, en especies bacterianas que han perdido el gen rho, la preferencia por purinas en los genes se desvanece, lo que refuerza la idea de que este sesgo es una adaptación específica para esquivar la acción de Rho cuando existe ese factor.

El comunicado del MIT resume esta función al señalar que “Rho sirve como un mecanismo fundamental para evitar que las bacterias malgasten recursos fabricando ARN que no tiene utilidad”.

Relevancia para biotecnología y manipulación genética

El avance tiene consecuencias en la ingeniería genética y la biotecnología. “Nuestros hallazgos revelan un criterio para el diseño exitoso de secuencias que debe tenerse en cuenta en la ingeniería de expresión”, subrayó Gene-Wei Li, profesor asociado de Biología en el MIT e investigador del Howard Hughes Medical Institute.

Dicho de otro modo, al crear bacterias capaces de producir proteínas para usos médicos, es imprescindible adaptar los genes sintéticos para que presenten este sesgo por purinas; de lo contrario, la proteína no se producirá porque Rho eliminará el ARN.

El estudio describe que genes de organismos ajenos, como el de la hormona de crecimiento humana, solo pueden expresarse tras modificar su secuencia y aumentar su contenido de purinas.

El análisis de datos genómicos mostró que la preferencia por purinas es una característica común a muchas bacterias que, como Bacillus subtilis, presentan este tipo de control de calidad.

Lo que esto significa en la práctica es enorme: las bacterias son las fábricas naturales más usadas por la industria farmacéutica para producir medicamentos, hormona de crecimiento y vacunas. Pero para que una bacteria fabrique una proteína humana, los científicos deben “reescribir” el gen en el idioma que ella entiende. Este estudio revela que esa reescritura tiene una regla fundamental que hasta ahora nadie conocía, y que aplica a gran parte del mundo bacteriano.

“Comprender los detalles fundamentales sobre cómo la célula codifica la información necesaria en la secuencia de su genoma resulta muy revelador”, concluyó Dierksheide en el comunicado de prensa oficial.