Biología sintética
Jesús Pla Alonso
Abril 2014
Algunas preguntas para empezar
1. ¿ Cómo se conocen los genomas de los seres vivos ?
2. ¿ Cómo se conoce la función de los...
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Secuenciación de Sanger
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Secuenciación DNA – gel electrophoresis. Sistema Sanger
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‘Finished’ human genome sequence
1900
1944
1953
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1977
1975-79
1986
1995
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1990
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Capillary Electrophoresis (CE): Secuenciación
automatizada de DNA
G
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G
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96 x 700 bases:
± 7 kpb
1981. Primer
sintetizador
automático de DNA
Generación de secuenciadores
Figure 12.1 DNA Sequencing (Part 2)
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More 454 Technology
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Generación de secuenciadores
400 kbp
Figure 12.2 Arranging DNA Sequences
Read=pocillo
Es decir, para secuenciar
un genoma, lo troceamos,
secuenciamos cada pieza
pequeñita y las
ensamblamos
Microbial Genomes
Microbial genome sequencing
1995-2000: Mainly pathogenic bacteria
2000-present: Genomes of many food
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Datos
1. 1990
– 10 $ nucleótido
2. 2001
– 1 $ nucleótido
• El genoma humano tiene 3000 Mbp = 3.000.000 kbp = 3 x 10 9 bp
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Nuevos conceptos
Pangenoma (a veces llamado
supragenoma)
Conjunto de genes de una
determinada especie microbiana,
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Ya no hablamos sólo de genética, hablamos de
genómica
Genética (genómica) funcional
• Eliminar genes y observar función
• Ingeniería genética: deleción genética
Sistemas modelo
• Bacterias
– Escherichia coli
• Hongos
– Saccharomyces cerevisiae
• Gusanos
– Caenorhabditis elegans
• Mo...
Algunas preguntas para empezar
1. ¿ Cómo se conocen los genomas de los seres vivos ?
– Secuenciación masiva: NGS
• Pirosec...
¿ Qué es ?
Una mezcla de
ingeniería biológica,
genética, química,
biología computacional
… que está orientada
hacia el dis...
J. KeaslingV. de Lorenzo
Engineering
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Biotechnology
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Artificial Life
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Biotecnología
Algunas preguntas para empezar
1. ¿ Cómo se conocen los genomas de los seres vivos ?
– Secuenciación masiva: NGS
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Concepto de genoma mínimo
Mínimo conjunto de genes necesarios para sustentar una vida
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Table 12.2 Representative Sequenced Genomes
Concepto de genoma mínimo
Mínimo conjunto de genes necesarios para sustentar
una vida celular
Esto es importante porque
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Cuidado !!!
1. ¿ Importa el orden ?
2. ¿ Sólo exi...
Algunas preguntas para empezar
1. ¿ Cómo se conocen los genomas de los seres vivos ?
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¿ podemos cambiar una especie por otra ?
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¿ podemos sintetizar un genoma entero ?
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¿ podemos crear una célula con un genoma sintético ?
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Science 2010
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
Synthetic Biology designing tools for a better world
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Genome
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Conclusión
1. Podemos sintetizar genomas si sabemos la secuencia
que deseamos
2. Podemos introducirlos en células de levad...
Moving life into the digital world and back
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V. de Lorenzo
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Synthetic Organism Designer 1.0
SYLICA Synthetic Biology – Bowater Feb 2013
What is Involved in iGEM?
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Undergraduate Students
iGEM: What is it?
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Aplicaciones y problemas
1. Beneficios
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– Fármacos
– Detoxificación
– Control ambiental
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Metaphor
J. KeaslingV. de Lorenzo
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V. de Lorenzo
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Synt hesis:
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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

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  1. 1. Biología sintética Jesús Pla Alonso Abril 2014
  2. 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. 3. Figure 12.1 DNA Sequencing (Part 2)
  4. 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. 5. Secuenciación DNA – gel electrophoresis. Sistema Sanger A C G T
  6. 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. 7. Capillary Electrophoresis (CE): Secuenciación automatizada de DNA G C T A + _ + _ G C A T G C
  8. 8. Automated Sequencing ABI 3700 96 x 700 bases: ± 7 kpb 1981. Primer sintetizador automático de DNA
  9. 9. Generación de secuenciadores
  10. 10. Figure 12.1 DNA Sequencing (Part 2)
  11. 11. Pyrosequencing Biochemistry
  12. 12. 454 Technology
  13. 13. More 454 Technology
  14. 14. More Pyrosequencing
  15. 15. Generación de secuenciadores 400 kbp
  16. 16. Figure 12.2 Arranging DNA Sequences Read=pocillo
  17. 17. Es decir, para secuenciar un genoma, lo troceamos, secuenciamos cada pieza pequeñita y las ensamblamos
  18. 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. 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. 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. 21. Ya no hablamos sólo de genética, hablamos de genómica
  22. 22. Genética (genómica) funcional • Eliminar genes y observar función • Ingeniería genética: deleción genética
  23. 23. Sistemas modelo • Bacterias – Escherichia coli • Hongos – Saccharomyces cerevisiae • Gusanos – Caenorhabditis elegans • Moscas – Drosophila melanogaster • Mamiferos – Mus musculus
  24. 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. 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. 26. J. KeaslingV. de Lorenzo
  27. 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. 28. Biotecnología
  29. 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. 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. 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. 32. Table 12.2 Representative Sequenced Genomes
  33. 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. 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. 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. 36. ¿ podemos cambiar una especie por otra ?
  37. 37. Intercambio DNA…………. Science 2007 M. mycoides M. caprilocum TcR
  38. 38. ¿ podemos sintetizar un genoma entero ?
  39. 39. 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
  40. 40. 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
  41. 41. ¿ podemos crear una célula con un genoma ensamblado en una levadura ?
  42. 42. Science 2009 M. mycoides M. caprilocum Ensamblaje Transferencia
  43. 43. ¿ podemos crear una célula con un genoma sintético ?
  44. 44. Science 2010
  45. 45. Science 2010
  46. 46. 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
  47. 47. Synthetic Biology designing tools for a better world http://www.youtube.com/watch?v=zIzI7HgkWbw Genome compiler
  48. 48. 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 ?
  49. 49. Moving life into the digital world and back Our capacity to build microbes capable of solving human problems is limited only by our imagination
  50. 50. V. de Lorenzo
  51. 51. Desig n Codon Opt. Oligo Synthesis Synthetic Organism Designer 1.0
  52. 52. 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
  53. 53. 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
  54. 54. www.echromi.com
  55. 55. 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
  56. 56. Metaphor J. KeaslingV. de Lorenzo
  57. 57. Better than Nature! V. de Lorenzo
  58. 58. 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
  59. 59. Por si os interesa Marzo 2014, Investigación y ciencia. R. Doritt

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