211service.com
Jak zrobić sztuczną komórkę?
W zeszłym miesiącu naukowcy z Instytutu J. Craiga Ventera ogłosili, że stworzyli pierwszą syntetyczną komórkę, łącząc genom z butelkowanych chemikaliów i przeszczepiając go do komórki biorcy. To przełomowe osiągnięcie reprezentuje nowy poziom kontroli nad substancją życia na poziomie molekularnym, który może doprowadzić do stworzenia komórek wytwarzających duże ilości szczepionek i czystszych paliw.
Ogniwa syntetyczne: Kolonie bakteryjne rosnące na tych szalkach Petriego zawierają genom zmodyfikowany na komputerze, a następnie poskładany w laboratorium.
Chociaż naukowcy podkreślają, że minie lata, zanim naukowcy będą mogli wykazać prawdziwy potencjał tych technik w inżynierii życia, teraz wykorzystują eksperymenty, aby poszerzyć podstawowe zrozumienie biologii komórki.
Podczas wizyty w zeszłym tygodniu po obiektach instytutu w Rockville, MD, w których odbywają się eksperymenty, naukowcy wyjaśnili, że syntetyczna komórka została stworzona w wyniku projektu, którego celem było nauczenie się, jak stworzyć komórkę o minimalnej możliwej liczbie genów. relacja na żywo. Mamy nadzieję, że dzięki zrozumieniu podstawowych zasad życia komórkowego będziemy w stanie sprawić, że komórki będą wytwarzać więcej rzeczy, mówi John Glass , profesor instytutu. Komórki zaprojektowane do wytwarzania określonej substancji chemicznej sprawią, że będzie ona bardziej wydajna, jeśli naukowcy będą w stanie wyeliminować każdy inny nieistotny proces metaboliczny. Zawsze chciałem wiedzieć, jak działają komórki, a teraz mamy narzędzia, mówi.
Jednym ze sposobów ustalenia, jaki jest minimalny genom, byłoby rozpoczęcie od drobnoustroju, z którym łatwo pracuje się w laboratorium, takiego jak drożdże lub E coli , i wybijaj każdy gen pojedynczo. Ale ten proces trwa bardzo długo. Zamiast tego naukowcy Venter zaczynają od sekwencji genomu z bakterii, która ma już bardzo mały genom, modyfikują ją na komputerze, aby dodać lub usunąć geny, a następnie zsyntetyzować ją z substancji chemicznych, przeszczepić do komórki i zobaczyć, jak zmiany wpływają na funkcję komórki. Budowanie genomu w ten sposób przyspiesza badania instytutu nad minimalnymi genomami, mówi Daniel Gibson , profesor nadzwyczajny w Instytucie Venter.
Pierwszym krokiem w tworzeniu syntetycznej komórki jest zaprojektowanie genomu. Proces ten odbywa się na komputerze, z sekwencją 1 077 947 liter tworzących genom bakterii Mycoplasma mycoides . W swoich początkowych eksperymentach demonstracyjnych naukowcy usunęli 15 genów. Aby stworzyć znak wodny odróżniający genom syntetyczny od naturalnego, wprowadzili również dodatki. Naukowcy zakodowali ich nazwiska, adres URL, kilka cytatów i adres e-mail w czteroliterowym alfabecie DNA i dodali go do genomu.
Synteza długich fragmentów DNA w laboratorium jest dziś droga i czasochłonna. Dlatego naukowcy użyli programu komputerowego, aby pociąć genom na 1100 części, każda o długości około 1080 par zasad lub liter. Program komputerowy dodawał lepkie sekwencje na każdym końcu każdego kawałka, co umożliwiało ponowne złożenie kawałków. Następnie badacze wysłali te 1100 projektów do firmy zajmującej się syntezą DNA.
Naukowcy z Instytutu werbują następnie komórki drożdży do połączenia 1100 fragmentów w pojedynczy, okrągły fragment DNA, który tworzy kompletny syntetyczny genom. Zanim drożdże będą mogły wykonać swoją pracę, grupa Gibsona musi sprawić, by fragmenty DNA były przyjazne drożdżom. Grupa Gibsona najpierw dodaje do każdego zestawu fragmentów DNA krótką sekwencję DNA, która wciąga fragmenty w pętlę i sprawia, że fragmenty są przyjazne dla komórek drożdży, które zostały poddane obróbce, aby były podatne na pożeranie DNA.
Gibson łączy komórki drożdży w roztworze z dziesięcioma rodzajami fragmentów DNA, z których każdy tworzy kolejną sekwencję Mykoplazma genom. Komórki drożdży wykonują pracę polegającą na ponownym łączeniu fragmentów. Proces ten jest powtarzany, aż drożdże połączą coraz większe kawałki genomu. W końcu niektóre komórki drożdży stworzą kompletny syntetyczny genom. Po przeprowadzeniu testów mających na celu sprawdzenie, czy kolonia posiada cały genom bakteryjny, naukowcy hodują drożdże w kolbie, aby umożliwić im rozmnażanie się i wytwarzanie genomu w dużych ilościach.
Następnym krokiem jest wyekstrahowanie pełnego syntetycznego genomu bakteryjnego z drożdży i przeszczepienie go do komórek bakteryjnych. Wyodrębnienie genomu z drożdży i jego transport to najtrudniejsza część procesu. Genom mykoplazmy jest stosunkowo mały, ale to ogromna cząsteczka. Siła ścinająca wody poruszającej się wokół nagich cząsteczek DNA może je rozerwać. Dlatego naukowcy unieruchamiają DNA w granulkach żelu i zabierają je do innego laboratorium, gdzie przygotowano komórki biorcy przeszczepu. Komórki biorcy gatunku Mycoplasma capricolum , są bliskimi krewnymi komórek, których genom jest podstawą genomu syntetycznego. Metodą prób i błędów naukowcy odkryli, że istnieje szczególna część cyklu wzrostu i podziału komórek, w której najprawdopodobniej przejmą one obce DNA.
Nakłonienie komórek biorców do przejęcia syntetycznego genomu jest częściowo kwestią przypadku. Badacz miesza komórki biorców z roztworem chemicznym, aby ich powierzchnia była płynna i lepka, a następnie dodaje komórki do roztworu DNA. Po zmieszaniu lepkie komórki zaczynają się ze sobą łączyć. Aby zachować kulisty kształt wraz ze wzrostem ich powierzchni, komórki nabierają objętości z otaczającego ich roztworu. Przypadkowo, podczas łączenia się, niektóre z tych megakomórek przyjmują kopie M. mycoides genom.
Pozostawione na około trzy godziny komórki z więcej niż jednym genomem podzielą się, tworząc mieszaninę typów komórek. Około jedna na 100 000 komórek ma przeszczepiony genom, który zawiera gen oporności na antybiotyki. Gdy roztwór komórkowy jest rozmazany na płytkach zawierających antybiotyk tetracyklinę, przeżywają tylko te z przeszczepionym genomem. Chociaż początkowo należały do innego gatunku, M. mycoides genom przejmuje rolę, tworząc coś, co naukowcy nazywają komórką syntetyczną.
Naukowcy wykorzystają teraz te techniki do stopniowego zmniejszania genomu. Obecnie używają oprogramowania do projektowania nowych genomów z usuniętymi różnymi genami, a następnie wykorzystują swoją technikę do ich syntezy i przeszczepiania. W eksperymencie możemy przetestować oszałamiającą ilość możliwości, mówi Glass. To pozwala im określić w ciągu kilku tygodni, a nie lat, co się dzieje, gdy, powiedzmy, 10 genów w określonej ścieżce ulega ekspresji na różnych poziomach lub jest eliminowane.
Opracowanie tych technik pochłonęło od 30 do 40 milionów dolarów finansowania, głównie od firmy Synthetic Genomics. Główny koszt tych eksperymentów wynika z ceny syntezy DNA, która może spaść, gdy więcej badaczy dostrzeże obietnicę tego typu eksperymentów. Inne grupy nie robią tego ze względu na koszty i ponieważ metody były trudne, ale chciałbym myśleć, że upraszczamy metody, mówi Gibson. profesor Uniwersytetu w Bostonie Jamesa Collinsa zgadza się. Gdy koszty spadną, zobaczysz, że wiele laboratoriów zaczyna syntetyzować na taką skalę. Jeśli ta technika zostanie uznana za przydatną, zwrócimy uwagę na koszty.