Engineering a genomically recoded organism with one stop codon (Ochre)

El artículo publicado en Nature en 2025 describe un avance fundamental en biología sintética mediante la creación de un organismo bacteriano genómicamente reprogramado con un único codón de parada funcional, denominado sistema Ochre. En el código genético natural existen tres codones de parada (UAA, UAG y UGA), cuya función redundante limita el uso de estos tripletes para otros propósitos. El objetivo de los autores fue eliminar esa redundancia para liberar codones que pudieran ser reasignados a la incorporación de aminoácidos no estándar (nsAAs), ampliando así el alfabeto genético más allá de lo que ofrece la naturaleza. La cepa de referencia utilizada fue E. coli C321.∆A, previamente modificada para eliminar el codón UAG. A partir de esta base, se procedió a la sustitución masiva de los codones UGA y a la reingeniería de factores de traducción, con el fin de que únicamente UAA funcionara como señal de terminación. Esta compresión del sistema de parada abrió la posibilidad de reasignar de manera precisa UAG y UGA a nuevas funciones codificantes.

Resultados

Los investigadores reemplazaron de forma sistemática 1 195 codones UGA por UAA en todo el genoma de E. coli, obteniendo un organismo viable cuya traducción dependía exclusivamente del codón UAA como señal de parada. Para consolidar esta reorganización, se modificaron elementos esenciales de la maquinaria traduccional, entre ellos el factor de liberación RF2 y el tRNA^Trp, de manera que se eliminara el reconocimiento nativo de UGA como codón de terminación. Como consecuencia, se generó un sistema en el que UAA actúa como el único codón de parada, mientras que UAG y UGA quedaron libres para ser utilizados con funciones alternativas.

Una vez asegurada la viabilidad del organismo recodificado, los autores probaron la incorporación de aminoácidos no estándar en múltiples posiciones dentro de proteínas modelo. Los resultados mostraron una eficiencia de incorporación superior al 99 % de fidelidad, lo que representa un nivel de precisión sin precedentes en sistemas de expansión del código genético. La reasignación simultánea de UAG y UGA permitió la codificación de dos aminoácidos no naturales distintos en una sola proteína, introducidos en múltiples sitios de manera predecible y controlada. Además, la cepa recodificada mantuvo una fisiología estable y un crecimiento comparable al de cepas de control, lo que confirma la robustez del rediseño genómico a gran escala.

Conclusiones y discusión

Este trabajo constituye una demostración convincente de que es posible comprimir la redundancia genética en organismos vivos, reduciendo los tres codones de parada a uno solo sin comprometer la viabilidad celular. La liberación de dos tripletes previamente destinados a la terminación de la traducción abre un espacio funcional que puede emplearse para la expansión del alfabeto genético y la programación de proteínas con nuevas propiedades químicas. Se trata de un paso decisivo hacia la construcción de un código genético no degenerado de 64 codones, en el que cada triplete puede ser asignado de forma única y racional a un aminoácido natural o no natural.

La relevancia de este avance trasciende el logro técnico de reescribir más de mil posiciones genómicas, ya que establece una plataforma para el desarrollo de proteínas con funciones inéditas, imposibles de alcanzar con los veinte aminoácidos naturales. Entre las aplicaciones potenciales destacan la producción de biomateriales avanzados, enzimas con capacidades catalíticas nuevas, anticuerpos y proteínas terapéuticas con propiedades mejoradas, así como sistemas biológicos programables con funciones expandidas.

En conclusión, la ingeniería de un organismo con un único codón de parada funcional no solo demuestra la maleabilidad del código genético, sino que también impulsa a la biología sintética hacia una era en la que las reglas de la vida pueden ser reprogramadas para crear proteínas diseñadas a medida, expandiendo de manera radical las posibilidades de la biotecnología y la medicina.

 Referencia:

Grome M.W., Nguyen M.T.A., Moonan D.W., Mohler K., Gurara K., Wang S., Hemez C., Stenton B.J., Cao Y., Radford F., Kornaj M., Patel J., Prome M., Rogulina S., Sozanski D., Tordoff J., Rinehart J., Isaacs F.J. (2025). Engineering a genomically recoded organism with one stop codon. Nature. 639(8019):512–521. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39910296/