211service.com
Maszyna, która przyspiesza ewolucję
Zamiast zmieniać genom litera po literze, jak robi się większość inżynierii genetycznej, Kościół Jerzego a jego koledzy opracowali nową technologię, która może wprowadzić 50 zmian w genomie bakterii niemal jednocześnie – postęp, który można wykorzystać do znacznego przyspieszenia tworzenia bakterii, które są lepsze w wytwarzaniu leków, składników odżywczych lub biopaliw.
Lepsze błędy: Za pomocą specjalnie zaprojektowanej maszyny (pokazanej tutaj) naukowcy mogą szybko zaprojektować do 50 zmian genetycznych w bakteriach, radykalnie przyspieszając dążenie do zaprojektowania fabryk bakterii zdolnych do wydajnej produkcji leków, biopaliw i innych produktów chemicznych.
To, co kiedyś zajmowało miesiące, teraz zajmuje kilka dni, mówi Stephen del Cardayré, wiceprezes ds. badań i rozwoju w LS9, firmie biopaliwowej z siedzibą w południowym San Francisco, której Church jest założycielem. LS9 wkrótce planuje wykorzystać technologię – zwaną multipleksową zautomatyzowaną inżynierią genomiczną lub MAGE – w celu przyspieszenia rozwoju komórek bakteryjnych, które mogą wytwarzać tanie odnawialne paliwa i chemikalia.
W tradycyjnym, stopniowym podejściu do inżynierii genetycznej naukowcy majstrują gen po genie w systemie metabolicznym komórki, próbując przyspieszyć niektóre reakcje i stłumić inne. Ale ta metoda jest powolna i nieprzewidywalna. Metabolizm komórki składa się z milionów misternie powiązanych reakcji, więc wprowadzenie określonej zmiany w genie biorącym udział w jednej reakcji może nie przynieść pożądanego rezultatu lub wywołać szkodliwe skutki uboczne.
Zamiast tego Church i jego współpracownicy atakują genom na szeroką skalę. Projektują liczne zmiany genetyczne ukierunkowane na geny w całym genomie, a następnie wdrażają je wszystkie jednocześnie, szukając powstałego szczepu bakteryjnego, który może najlepiej wytworzyć pożądany produkt. Pozwala na dokonywanie modyfikacji genomu znacznie szybciej niż tradycyjne, jednoetapowe procesy, które mamy, mówi Kristala Jones-Prather, inżynier metaboliczny w MIT, który nie był bezpośrednio zaangażowany w badania.
W ramach technologii MAGE naukowcy najpierw generują 50 krótkich nici DNA, z których każda zawiera sekwencję podobną do genu lub sekwencji regulatorowej genu w docelowym genomie bakteryjnym, ale została ona w pewien sposób zaktualizowana – wprowadzając zmianę, która może sprawić, że enzym będzie bardziej wydajne lub pobudzające produkcję konkretnego białka.
DNA jest mieszane z fiolką bakterii, która jest następnie umieszczana w specjalnie wykonanej maszynie zaprojektowanej w laboratorium Churcha. W maszynie mikstura poddawana jest precyzyjnie zaplanowanej choreografii cykli temperaturowych i chemicznych, które zachęcają komórki bakteryjne do wchłonięcia obcego DNA, zamieniając je w swoje genomy w miejsce natywnego fragmentu, który przypomina. Uważa się, że jednoniciowe fragmenty DNA fałszują maszynerię replikacji DNA komórki, wkradając się i wypełniając lukę podczas procesu replikacji, mówi Church. Każde pokolenie szybko rozmnażających się bakterii pochłania więcej obcego DNA, ostatecznie tworząc populację, która ma wszystkie pożądane zmiany genetyczne.
W ramach testów urządzenia Church i jego zespół stworzyli bakterie, które mogą wydajniej wytwarzać likopen, przeciwutleniacz bogaty w pomidory. Zaprojektowali nici DNA celujące w geny, o których wiadomo, że biorą udział w produkcji likopenu, a następnie monitorowali wiele probówek zmodyfikowanych bakterii pod kątem produkcji jasnoczerwonego związku. W ciągu zaledwie trzech dni wytworzyli szczep, który może wyprodukować pięć razy więcej likopenu, zgodnie z ustaleniami przedstawionymi na konferencji na Harvardzie w tym miesiącu. Najlepszy producent likopenu miał 24 zmiany genetyczne – cztery, które zakończyły zablokowanie produkcji białka genu, a 20, które spowodowały małe lub duże zmiany w ekspresji tego genu.
Church i jego współpracownicy, którzy docelowo planują stworzenie komercyjnej wersji urządzenia, pracują obecnie nad stworzeniem różnego rodzaju chemikaliów, w tym biopaliw i prekursorów leków.