Conferencia de Jesús Pla, del departamento de Microbiología de la Facultad de Farmacia de la Universidad Complutense de Madrid en el marco del ATENEO ALPAJÉS del IES ALPAJÉS de Aranjuez

1. Biología sintética
Jesús Pla Alonso
Abril 2014

2. Algunas preguntas para empezar
1. ¿ Cómo se conocen los genomas de los seres vivos ?
2. ¿ Cómo se conoce la función de los genes ?
3. ¿ Qué es la biología sintética ?
4. ¿ Qué es un genoma mínimo y su importancia en
biología ?
5. Algunos ejemplos

3. Figure 12.1 DNA Sequencing (Part 2)

4. Secuenciación de Sanger
Much of the following slide material is kindly provided publicly by Dr. David Wishart (UofAlberta)
through the Canadian Bioinformatics Workshop series

5. Secuenciación DNA – gel electrophoresis. Sistema Sanger
A C G T

6. ~50 years
‘Finished’ human genome sequence
1900
1944
1953
1960’s
1977
1975-79
1986
1995
1999
1990
Rediscovery of Mendel’s genetics
DNA identified as hereditary material
DNA structure
Genetic code
Advent of DNA sequencing
First human genes isolated
DNA sequencing automated
First whole genome
First human chromosome
Human genome project officially begins
Mendel discovers laws of genetics1865
2003
Craig Venter

7. Capillary Electrophoresis (CE): Secuenciación
automatizada de DNA
G
C
T
A
+
_
+
_
G
C
A
T
G
C

8. Automated Sequencing
ABI 3700
96 x 700 bases:
± 7 kpb
1981. Primer
sintetizador
automático de DNA

9. Generación de secuenciadores

10. Figure 12.1 DNA Sequencing (Part 2)

11. Pyrosequencing Biochemistry

12. 454 Technology

13. More 454 Technology

14. More Pyrosequencing

15. Generación de secuenciadores
400 kbp

16. Figure 12.2 Arranging DNA Sequences
Read=pocillo

17. Es decir, para secuenciar
un genoma, lo troceamos,
secuenciamos cada pieza
pequeñita y las
ensamblamos

18. Microbial Genomes
Microbial genome sequencing
1995-2000: Mainly pathogenic bacteria
2000-present: Genomes of many food
relevant micro-organisms
- Lactic Acid Bacteria
- Food Spoilage Bacteria
2005:
250 complete genomes
600 million bases
600 thousand proteins

19. Datos
1. 1990
– 10 $ nucleótido
2. 2001
– 1 $ nucleótido
• El genoma humano tiene 3000 Mbp = 3.000.000 kbp = 3 x 10 9 bp
• El genoma “humano” cuesta 3000 millones dólares
3. 2005
– 0.01 $ nucleótido
• Nuestro genoma puede costar 1000 Euros
• y dentro de unos años …. menos
Medicina
individualizada

20. Nuevos conceptos
Pangenoma (a veces llamado
supragenoma)
Conjunto de genes de una
determinada especie microbiana,
resultado de la fusión de las
cepas que pertenecen a esa
especie. Comprende un genoma
central (core) y otro dispensable
Metagenoma
Conjunto de genes de una
determinada muestra biológica

21. Ya no hablamos sólo de genética, hablamos de
genómica

22. Genética (genómica) funcional
• Eliminar genes y observar función
• Ingeniería genética: deleción genética

23. Sistemas modelo
• Bacterias
– Escherichia coli
• Hongos
– Saccharomyces cerevisiae
• Gusanos
– Caenorhabditis elegans
• Moscas
– Drosophila melanogaster
• Mamiferos
– Mus musculus

24. Algunas preguntas para empezar
1. ¿ Cómo se conocen los genomas de los seres vivos ?
– Secuenciación masiva: NGS
• Pirosecuenciación, Fase sólida etc
2. ¿ Cómo se conoce la función de los genes ?
– Usando organismo modelo, eliminando los genes y
comparando
3. ¿ Qué es la biología sintética ?
4. ¿ Qué es un genoma mínimo y su importancia en
biología ?
5. Algunos ejemplos

25. ¿ Qué es ?
Una mezcla de
ingeniería biológica,
genética, química,
biología computacional
… que está orientada
hacia el diseño y
construcción de nuevos
seres biológicos no
encontrados en la
naturaleza
http://www.youtube.com/watch?v=rD5uNAMbDaQ

26. J. KeaslingV. de Lorenzo

27. Engineering
Computing
Modeling
Molecular Biology
Evolutionary Genomics
Biotechnology
Origin of Life
Artificial Life
Orthogonal Life
The 3 roots of Synthetic Biology
V. de Lorenzo

28. Biotecnología

29. Algunas preguntas para empezar
1. ¿ Cómo se conocen los genomas de los seres vivos ?
– Secuenciación masiva: NGS
• Pirosecuenciación, Fase sólida etc
2. ¿ Cómo se conoce la función de los genes ?
– Usando organismo modelo, eliminando los genes y
comparando
3. ¿ Qué es la biología sintética ?
4. ¿ Qué es un genoma mínimo y su importancia en
biología ?
5. Algunos ejemplos

30. Concepto de genoma mínimo
Mínimo conjunto de genes necesarios para sustentar una vida
celular. Esto es importante porque
1. Indica los genes esenciales y los que no
2. Define la función de genes
3. Permite tener una célula sintética de partida
4. Permite definir los genes esenciales en cada proceso de la célula
(obtención de energía, traducción etc.)
5. Permite construir células más complejas

31. Genome content
total genes 2.000 6.300 19.000 14.000 30.000 ?
% genes
bacteria yeast worm fly man
Size (Mb) 2 12 97 137 3.500
junk ?

32. Table 12.2 Representative Sequenced Genomes

33. Concepto de genoma mínimo
Mínimo conjunto de genes necesarios para sustentar
una vida celular
Esto es importante porque
1. Indica los genes esenciales y los que no
2. Define la función de genes
3. Permite tener una célula sintética de partida
4. Permite definir los genes esenciales en cada proceso de la
célula (obtención de energía, traducción etc.)
5. Permite construir células más complejas

34. Figure 12.8 Using Transposon Mutagenesis to Determine the Minimal
Genome
Cuidado !!!
1. ¿ Importa el orden ?
2. ¿ Sólo existe una
combinación ?
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
wt m1 m2 m3
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
m4
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
m5
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
m6

35. Algunas preguntas para empezar
1. ¿ Cómo se conocen los genomas de los seres vivos ?
– Secuenciación masiva: NGS
• Pirosecuenciación, Fase sólida etc
2. ¿ Cómo se conoce la función de los genes ?
– Usando organismo modelo, eliminando los genes y
comparando
3. ¿ Qué es la biología sintética ?
4. ¿ Qué es un genoma mínimo y su importancia en
biología ?
5. Algunos hitos y ejemplos

36. ¿ podemos cambiar una especie por otra ?

37. Intercambio DNA…………. Science 2007
M. mycoides M. caprilocum
TcR

39. ¿ podemos sintetizar un genoma entero ?

40. DNA synthesis is getting easier, faster, and cheaper
$0.01
$0.10
$1.00
$10.00
1999 2004 2009 2014
Dollarsperbasepair
Year
$0.15 / bp
Agilent

41. Síntesis de un genoma entero ……… Science 2008
1/25 1/8 1/4 Whole
42 43 44 45
6kb 72kb 144kb 580kb24kb
50-77B50-77A
Yeast Vector
yeast
yeastE. coli
Chemical
Synthesis

42. ¿ podemos crear una célula con un genoma
ensamblado en una levadura ?

43. Science 2009
M. mycoides M. caprilocum
Ensamblaje Transferencia

44. ¿ podemos crear una célula con un genoma sintético ?

45. Science 2010

46. Science 2010

47. Fig. 5 Images of M. mycoides JCVI-syn1.0 and WT M. mycoides.
D G Gibson et al. Science 2010;329:52-56
Published by AAAS

48. Synthetic Biology designing tools for a better world
http://www.youtube.com/watch?v=zIzI7HgkWbw
Genome
compiler

49. Conclusión
1. Podemos sintetizar genomas si sabemos la secuencia
que deseamos
2. Podemos introducirlos en células de levaduras y en
otras células bacterianas para crear seres biológicos
totalmente sintéticos e idénticos al original
3. ….pero realmente ¿ tienes que ser idénticos ?

50. Moving life into the digital world and back
Our capacity to build microbes capable of solving human
problems is limited only by our imagination

51. V. de Lorenzo

52. Desig
n
Codon
Opt.
Oligo
Synthesis
Synthetic Organism Designer 1.0

53. SYLICA Synthetic Biology – Bowater Feb 2013
What is Involved in iGEM?
• The team (Students + Advisers) develop a Synthetic
Biology Project that must be completed during the
summer months
• Teams compete to win medals (Gold, Silver or
Bronze) and prizes
• Genetic engineering must be performed within the
project, following quite strict criteria
• Also must involve Human Practices (outreach) and
consideration of ethical issues related to the project

54. A Global Synthetic Biology Competition for
Undergraduate Students
iGEM: What is it?
SYLICA Synthetic Biology – Bowater Feb 2013
iGEM: International Genetically
Engineered Machines
Organised by the iGEM
Foundation, a spin out
from the MIT in the USA
iGem.org

56. www.echromi.com

59. Aplicaciones y problemas
1. Beneficios
– Fuentes de energía
renovables
– Fármacos
– Detoxificación
– Control ambiental
2. Problemas
– Nuevos patógenos
(sinteticos)
– Transferencia
horizontal (GMO)
– Riesgo económicos
– Patentes
– Ética

60. Metaphor
J. KeaslingV. de Lorenzo

61. Better than
Nature!
V. de Lorenzo

62. Syst ems
Engineering:
<20 kb,
dozen or so
component s
Genome
Synt hesis:
>8 mb,
t housands of
component s
4 meters
400 fold
The big challenge: filling the gap between
chemical synthesis and biological meaning
V. de Lorenzo

63. Por si os interesa
Marzo 2014, Investigación y ciencia. R. Doritt