Researchers have spent years taking apart one of the world’s simplest microbes, Mycoplasma pneumoniae, piece by piece, and created a detailed list of what molecular parts the living cell can and cannot do without, knowledge that could accelerate the development of “living medicines” built from this very microbe.

Their efforts have revealed how much real estate engineers have to edit and repurpose the bacterium for therapeutic purposes, for example to combat antibiotic resistance or cancer.

The study, published today in Molecular Systems Biology, is the most comprehensive “essentiality map” for any living organism built to date. Researchers create the maps to see which bits of the genome living organisms truly need to stay alive, and how badly they falter when any given bit goes missing.

Yet even for Escherichia coli, the most well-studied microbe on Earth, most surveys probe only one in every ten or twenty DNA positions, leaving wide blind spots and classifying genes in crude yes‑or‑no terms. The current study went far beyond by probing every other DNA letter, allowing researchers to rank genomic components not just as essential or non-essential, but along a continuum of importance.

“We wanted to know which tiny parts of a bacterium’s DNA are truly essential, not just the obvious genes,” says Dr. Samuel MiravetVerde, a microbiologist at ETH Zurich who coled the work while at the Centre for Genomic Regulation (CRG) together with Dr. Raul Burgos and ICREA Research Professor Luis Serrano.

Mycoplasma pneumoniae’s entire genome spans only about 816,000 DNA letters long, roughly a millionth the size of the human genome. The researchers used a technique called transposon sequencing to disrupt 450,000 of these DNA letters.

Out of 707 proteincoding genes, 220 proved absolutely critical, 86 were almost critical, another 84 helped but weren’t essential, and 317 were dispensable under lab conditions. That means that roughly half of the microbe’s genetic instruction book can be deleted or damaged without killing it, at least in the lab conditions used.

The study also examined the microbe’s regulatory elements. These are tiny regions of DNA that sit next to genes and tell the cell when, where or how strongly to use them. Out of the 1,050 regulatory elements studied, only 25 turned out to be truly necessary. That finding fits with what the researchers already suspected: the bacterium has very simple on/off switches and often runs its genes at full blast. Dr. Miravet-Verde likens the effort to checking not only the big gears in a machine, but also the small screws and switches that keep it running.

Because every DNA letter now has a quantitative fitness score from “essential” to “dispensable”, the researchers can now predict how much a possible tweak to the microbe’s genome can slow growth or stress the cell, and choose the gentlest route to modify the bacterium instead of by costly trial and error.

The discovery matters because Mycoplasma pneumoniae is already being refitted as a therapeutic chassis for medical purposes. The research group, alongside biotechnology spin-off Pulmobiotics, have repurposed the bacterium and trained it to deliver drugs that can clear stubborn antibiotic-resistant lung infections in mice. They are also testing other variants to deliver anticancer drugs directly inside lung tumours.

The new essentiality map gives the researchers more freedom to remove what they don’t need and a better roadmap to insert what they do, making M. pneumoniae one of the most engineerfriendly microbes available for the purposes of synthetic biology.

“When you want to add a therapeutic payload, you must insert new DNA somewhere. If you land in the wrong spot, you can cripple a vital gene, so having this map confirm there are thousands of safe landing zones mapped at very high resolution gives us a very high degree of confidence,” explains Dr. Serrano.

“It can also allow us to strip away surplus functions that reduce any chance the microbe might misbehave or survive where it shouldn’t, a key safety feature for ‘living medicines’,” adds Dr. Burgos.

One of the surprising findings made by the study is that some “essential” genes could be split in two and the cell still lived. The discovery hints that some of the bacterium’s genes may be stitched together from smaller ancestors, offering a window on how life’s machinery evolved. “It’s like discovering a car can still drive even if part of the engine is cut in half,” says Dr. Miravet-Verde.

The researchers next want to study why these essential genes can be split and the evolutionary implications of these events along the tree of life. “Were these once two separate proteins that fused over evolution?” asks Dr. Miravet Verde. “Answering that could help us design new, modular proteins for synthetic biology or understand how the proteins we see now in nature were originally formed.”

EN CASTELLANO

Un “escaneo de esencialidad” revela la lista de 'imprescindibles' de un microbio  

Tras años de desmontar pieza a pieza uno de los microbios más simples del planeta, Mycoplasma pneumoniae, se ha elaborado un inventario minucioso de qué componentes moleculares puede y no puede permitirse perder una célula viva, un conocimiento que podría acelerar la creación de “píldoras vivas” construidas a partir de este mismo microorganismo. 
Los resultados permiten delimitar con precisión cuánto margen existe para editar y reprogramar la bacteria con fines terapéuticos, por ejemplo, para combatir la resistencia a antibióticos o el cáncer.

El estudio, publicado hoy en Molecular Systems Biology, presenta el mapa de “esencialidad” más completo obtenido hasta la fecha para un organismo vivo. Este tipo de mapas se utiliza para identificar qué fragmentos del genoma son realmente necesarios para la supervivencia y hasta qué punto se resiente la célula cuando falta alguno de ellos.

Incluso en Escherichia coli, el microbio más estudiado del mundo, la mayoría de los análisis sólo exploran una de cada diez o veinte posiciones del ADN, lo que deja amplias zonas ciegas y clasificaciones demasiado binarias (sí/no) de los genes. En esta ocasión se fue mucho más allá: se analizó una de cada dos letras del ADN, lo que permitió ordenar los componentes del genoma a lo largo de un continuo de importancia, y no únicamente como esenciales o no esenciales.

“Queríamos saber qué pequeñas partes del ADN de una bacteria son verdaderamente esenciales, no solo los genes evidentes”, dice el Dr. Samuel Miravet Verde, microbiólogo del ETH Zúrich, quien codirigió el trabajo durante su etapa en el Centro de Regulación Genómica (CRG) junto con el Dr. Raúl Burgos y el profesor de investigación de ICREA y jefe de grupo del CRG, Luis Serrano.

El genoma completo de Mycoplasma pneumoniae comprende aproximadamente 816.000 letras de ADN, cerca de una millonésima parte del tamaño del genoma humano. Mediante una técnica denominada secuenciación por transposones, se inactivaron 450.000 de esas letras.

De los 707 genes que codifican proteínas, 220 se revelaron absolutamente cruciales, 86 fueron casi críticos, otros 84 resultaron beneficiosos, aunque no indispensables, y 317 se mostraron prescindibles en condiciones de laboratorio. En consecuencia, aproximadamente la mitad del “manual de instrucciones” genético del microbio puede eliminarse o dañarse sin provocar su muerte, al menos en las condiciones ensayadas.

El estudio examinó asimismo los elementos reguladores, pequeñas regiones de ADN situadas junto a los genes que indican a la célula cuándo, dónde o con qué intensidad deben usarse. De los 1.050 elementos analizados, solo 25 resultaron estrictamente necesarios. Este hallazgo encaja con la idea de que la bacteria funciona con interruptores muy simples y que mantiene la expresión de sus genes a plena potencia. Miravet Verde compara el esfuerzo con revisar no solo los engranajes de una máquina, sino también los tornillos y los interruptores que la mantienen en marcha.

Al disponer ahora de una puntuación cuantitativa de aptitud para cada letra del ADN, desde “esencial” hasta “prescindible”, es posible predecir cuánto afectaría al crecimiento o al estrés celular una modificación concreta y elegir la vía de edición más suave, evitando costes asociados al ensayo y error.

La relevancia del avance es mayor si se considera que M. pneumoniae ya se está adaptando como chasis terapéutico con fines médicos. El grupo de investigación, junto con la empresa derivada del CRG, Pulmobiotics, ha reprogramado la bacteria para administrar fármacos capaces de eliminar infecciones pulmonares resistentes a antibióticos en modelos murinos, y está probando variantes para vehicular fármacos antitumorales directamente dentro de tumores pulmonares.

“Cuando quieres añadir una carga terapéutica, debes insertar ADN nuevo en algún lugar. Si aterrizas en el lugar equivocado, puedes inutilizar un gen vital, de modo que contar con este mapa que confirma que hay miles de zonas de aterrizaje seguras cartografiadas con una resolución muy alta nos da un grado de confianza muy elevado”, explica el Dr. Serrano. 
“También puede permitirnos eliminar funciones superfluas que reduzcan cualquier posibilidad de que el microbio se comporte de forma indebida o sobreviva donde no debería, una característica de seguridad clave para las píldoras vivas’”, añade el Dr. Burgos.

Entre los hallazgos más llamativos figura la observación de que algunos genes “esenciales” pueden escindirse en dos y aun así que la célula sobreviva. Ello sugiere que ciertos genes bacterianos podrían haberse ensamblado a partir de módulos ancestrales más pequeños, lo que abre una ventana a la evolución de la maquinaria de la vida. “Es como descubrir que un coche puede seguir circulando, aunque parte del motor partido por la mitad”, dice el Dr. Miravet Verde.

El siguiente paso consistirá en estudiar por qué esos genes esenciales admiten ser divididos y cuáles son las implicaciones evolutivas de estos eventos en el árbol de la vida. “¿Fueron en algún momento dos proteínas separadas que se fusionaron a lo largo de la evolución?”, se pregunta el Dr. Miravet Verde. “Responder a esa cuestión podría ayudarnos a diseñar proteínas nuevas y modulares para la biología sintética o a entender cómo se formaron originalmente las proteínas que observamos hoy en la naturaleza”.