Jak zmienić życie

Precyzyjnym ruchem Li Ma, technik z J. Craig Venter Institute w Rockville, MD, pipetuje wiśniowy roztwór komórek bakteryjnych do fiolki zawierającej przezroczysty roztwór delikatnych pętli DNA. Te pętle, największe fragmenty DNA, jakie kiedykolwiek zebrano w laboratorium, są w stanie kontrolować wszystkie zwykłe funkcje komórki. Ale DNA nie pochodzi z żadnej bakterii: zamiast tego naukowcy poskładali je z chemikaliów w butelkach. Proces, który niedawno opracowali w tym celu, jest pierwszym, w którym powstają syntetyczne komórki zdolne do przetrwania. Niektóre z komórek bakteryjnych, z którymi pracuje Ma, połączą się w roztworze, pochłaniając syntetyczny genom, a następnie replikując się i żyjąc pod jego kontrolą.

Roztwór komórek, z których niektóre zawierają nowy genom, miesza się z pożywką żelową zawierającą antybiotyk. Następnie przelewa się go na szalki Petriego i umieszcza w inkubatorze. Tylko komórki zawierające syntetyczny genom mają gen, który chroni je przed antybiotykiem. Niebieskie plamy to kolonie bakterii kontrolowane przez przeszczepiony syntetyczny genom.

Konwencjonalna inżynieria genetyczna to długotrwały proces, w którym geny są zmieniane jeden po drugim, często w kolejnych pokoleniach organizmów. To sprawia, że ​​radykalna zmiana genomu jest zniechęcającą propozycją. Jednak nowo opracowane techniki umożliwiają naukowcom edycję genomów na komputerze, odejmowanie lub dodawanie genów przez dosłowne wycinanie i wklejanie ich do pliku. To bardziej przypomina przetwarzanie tekstu niż tradycyjną pracę laboratoryjną związaną z hodowlą i badaniem pokoleń organizmów. Naukowcy mogą następnie wykonać genetyczny odpowiednik wydrukowania pliku, w którym to momencie są w stanie przeszczepić wynik – nowy genom – do istniejących komórek. Te kroki radykalnie przyspieszają proces inżynieryjny; ukończenie eksperymentów, które wcześniej zajęłoby miesiące lub lata, może zająć tylko kilka tygodni.

Ta historia była częścią naszego wydania z września 2010 r.

• Zobacz resztę numeru
• Subskrybuj

Ostatecznie naukowcy chcą wykorzystać biologię syntetyczną do projektowania drobnoustrojów, które bardzo wydajnie wytwarzają szczepionki, czyste paliwa i inne produkty. Ale nie mogą tworzyć nowych genomów od zera, ponieważ nie wiedzą jeszcze wystarczająco, jakie geny i sieci genów są potrzebne do podtrzymania życia i wytworzenia pożądanego produktu. Możesz usunąć jeden gen i komórka żyje; usuń drugi i umrze; następnie usuń trzecią i znów ożyje, mówi Daniel Gibson, profesor nadzwyczajny w instytucie. Dlatego naukowcy Venter eksperymentują z sekwencją naturalnie występującego genomu. Mają nadzieję dowiedzieć się więcej o tym, jak działają genomy i komórki, szybko usuwając i dodając geny w różnych kombinacjach, włączając nowe genomy do komórek, a następnie obserwując, jak te genomy funkcjonują lub nie działają.

Rewizja genetyczna

Proces rozpoczyna się na komputerze, gdzie Gibson pobiera genom bakterii Mycoplasma mycoides . Jest to stosunkowo proste, zawierające zaledwie 1 078 809 par zasad DNA, które tworzą około 900 genów. (W porównaniu, E coli bakterie mają około 4400 genów). Gibson i jego koledzy dokonali kilku zmian: usunęli z sekwencji 14 genów i dodali inne. Aby stworzyć znak wodny wyróżniający ich stworzenie, opracowali kod, który zamienia angielski na czteroliterowy alfabet DNA i wykorzystał go do modyfikacji genomu, włączając ich nazwy, adres URL, kilka zdań i adres e-mail do genom.

Grupa Gibsona następnie wykorzystuje oprogramowanie do podzielenia zmodyfikowanego genomu na 1100 sekcji, każda o długości około 1080 par zasad – rozmiar, który można uzyskać ekonomicznie za pomocą syntezatora DNA, maszyny, która łączy fragmenty DNA z pojedynczych par zasad dostarczanych w roztworach butelkowanych. Wreszcie naukowcy werbują komórki drożdży do łączenia tych długich odcinków, czego maszyny nie mogą wykonać.

Gibson klęka przed lodówką w laboratorium i wyciąga 12 plastikowych pudełek, z których każde zawiera 96 ​​studzienek pełnych fragmentów DNA opartych na zmodyfikowanych komputerowo projektach. Układa je na ławce i mówi: To cały genom w 1100 kawałkach. Gibson używa pipety, aby zebrać 10 fragmentów w kolejności i dodaje je do maleńkiej plastikowej probówki wraz z dodatkowym fragmentem DNA, który pomoże połączyć sekwencję w pętlę. Następnie dodaje komórki drożdży, które zostały poddane obróbce, aby umożliwić im pobranie fragmentów DNA. Każda komórka drożdży myśli, że te fragmenty DNA są częścią jej własnego chromosomu i jest on uszkodzony – mówi. Chce je z powrotem złożyć. Naukowcy zaprojektowali fragmenty DNA tak, aby te, które mają być połączone, miały końce z pasującymi sekwencjami. Drożdże dzielą 10 fragmentów razem, dopasowując te sekwencje, aby wytworzyć pętle DNA, z których każda ma 10 000 par zasad. Powtarzanie procesu łączy sekwencje o 10 000 par zasad, tworząc segmenty genomu o 100 000 par zasad. Po trzecim etapie łączenia drożdże połączyły cały syntetyczny genom. Stosując ustalone metody, syntetyczne genomy są ekstrahowane z drożdży.

Obchodzenie się z wyekstrahowanym DNA wymaga dużej ostrożności: nawet mały genom jest gigantyczną, kruchą cząsteczką. Rozpadnie się na 100 kawałków, jeśli spojrzysz na to źle, mówi Gibson. Gdyby było zawieszone w płynnym roztworze, DNA mogłoby zostać zniszczone jedynie przez ruch płynu. Tak więc Gibson unieruchamia genomy w agarozie, żelu pochodzącym z alg powszechnie używanym jako podłoże dla drobnoustrojów. Zamknięte w tej ochronnej otoczce można je bezpiecznie przechowywać, dopóki naukowcy nie będą gotowi do przeszczepienia ich do komórek biorcy.

Mały przeszczep

W laboratorium na końcu korytarza Ma przygotował komórki, które otrzymają nową sekwencję: gatunek bakterii zwany Mycoplasma capricolum jest to blisko spokrewnione z gatunkami, z których pochodzi syntetyczny genom. Podczas gdy enzym rozkładający agarozę upłynnia osady zawierające DNA w jednej probówce, Ma dostaje inną probówkę i miesza bakterie z chlorkiem wapnia i glikolem polietylenowym, koktajlem, który według naukowców sprawia, że ​​powierzchnia komórek jest plastyczna i lepka. Teraz to kwestia przypadku i pewnej ręki. Ma pipetuje część mieszaniny komórek do fiolki zawierającej syntetyczne pętle genomu. Lepkie komórki zaczynają się ze sobą łączyć. Aby zachować swój kulisty kształt po stopieniu, muszą one nabrać objętości z otaczającego ich roztworu. Gdy tak się dzieje, niektóre komórki – mniej więcej jedna na 100 000 – również przyjmują genom syntetyczny. Rezultatem jest rodzaj superkomórki z trzema genomami – genomem syntetycznym i po jednym z każdej z dwóch komórek. Superkomórka dzieli się następnie na trzy mniejsze komórki, z których jedna zawiera genom syntetyczny.

Ma rozmazuje roztwór komórkowy na płytkach hodowlanych zawierających antybiotyk, na który oporne są tylko komórki z syntetycznym genomem (podczas procesu edycji genomu naukowcy dodali gen, który czyni je odpornymi na niego). Te komórki będą żyć, rosnąć i dzielić się pod kontrolą nowego genomu. Reszta wymiera, pozostawiając czystą kolonię syntetycznych komórek.

Kolejnym krokiem naukowców z Venter Institute jest wykorzystanie technik edycji, syntezy i transplantacji genomu do projektowania i testowania genomów z coraz mniejszą liczbą genów. Celem jest stworzenie minimalnej komórki – jednej zawierającej tylko geny potrzebne do przeżycia. Taka komórka mogłaby być łatwiejsza do zmiany za pomocą inżynierii genetycznej niż naturalna.

Metody badaczy są obecnie bardzo drogie: wytworzenie i przeszczepienie syntetycznego genomu kosztuje od 300 000 do 500 000 dolarów, jeśli naukowcy zsyntetyzują DNA we własnym zakresie, lub około trzy razy więcej, jeśli kupią go od zewnętrznego dostawcy. Jednak cena syntezy DNA spada i może dalej spadać wraz ze wzrostem popytu i rozwojem technologii. Jeśli tak się stanie, a techniki budowania genomu okażą się tak przydatne, jak mają nadzieję badacze Venter, więcej osób zacznie stosować ich metody, mówi James Collins, profesor inżynierii biomedycznej na Uniwersytecie w Bostonie.

To znaczący postęp w biologii syntetycznej, mówi Collins. Teraz musimy zobaczyć, jakie zmiany można wprowadzić do genomu?

ukryć