Syntetyczny genom restartuje komórkę

W zwieńczeniu trwającego 15 lat projektu naukowcy z Instytut J. Craiga Ventera opracowali pierwszą komórkę kontrolowaną przez syntetyczny genom.

Zaczynając od zera: Naukowcy zrestartowali komórki bakteryjne, przeszczepiając syntetyczną wersję genomu Mycoplasma mycoides wytworzonego w laboratorium. Syntetyczny genom zawiera gen markerowy, który wytwarza niebieski związek, więc syntetyczne komórki tworzą niebieskie kolonie (u góry). Naturalnie występujący genom M. mycoides nie ma tego genu, więc komórki typu dzikiego tworzą białe kolonie (na dole).

Mówi się, że po raz pierwszy informacja o sekwencji genomu została przywrócona do życia Chris Voigt , biolog syntetyczny z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Francisco, który nie był zaangażowany w projekt. To naprawdę niezwykłe.

Wykorzystując metodę opracowaną w 2008 roku, naukowcy, kierowani przez pioniera genomiki Craiga Ventera, zsyntetyzowali genom maleńkiej bakterii zwanej Mycoplasma mycoides , zawierający nieco ponad milion par zasad DNA. Następnie przeszczepili syntetyczny genom do pokrewnej bakterii, Mycoplasma capricolum , w procesie, który wcześniej udoskonalili, używając niesyntetycznych chromosomów.

Gdy komórki biorcy włączyły syntetyczny genom, natychmiast zaczęły wykonywać instrukcje zakodowane w genomie. Tylko wyprodukowane ogniwa M. mycoides białek iw ciągu kilku rund samoreplikacji zniknęły wszelkie ślady gatunków biorców. Wyniki były opublikowany Czwartek w internetowym wydaniu czasopisma Nauka .

Aby odróżnić ich syntetyczny genom od wersji występującej naturalnie, naukowcy zakodowali w sekwencji szereg znaków wodnych. Zaczęli od opracowania kodu do pisania alfabetu angielskiego, a także interpunkcji i cyfr w języku DNA – klucz dekodujący jest zawarty w samej sekwencji. Następnie napisali swoje nazwiska, kilka cytatów i adres strony internetowej, którą ludzie mogą odwiedzić, jeśli uda im się złamać kod.

Jeśli chodzi o tworzenie syntetycznego życia, ten projekt jest dowodem zasady: poza znakami wodnymi i kilkoma delecjami genów w celu zmniejszenia zdolności gatunku do wywoływania chorób, syntetyczny genom zasadniczo odtwarza genom występujący naturalnie. Venter ma nadzieję, że w przyszłości technologię genomiki syntetycznej będzie można wykorzystać do projektowania i opracowywania zupełnie nowych organizmów o szerokim zakresie zastosowań praktycznych.

Venter i jego koledzy współpracują Novartis oraz National Institutes of Health, aby zsyntetyzować kasety – klastry genów, które można by wstawić do syntetycznego genomu – dla każdego znanego wirusa grypy w celu usprawnienia procesu produkcji szczepionek. Wyobrażają sobie system, w którym w przypadku pojawienia się nowego szczepu, takiego jak H1N1, opracowanie szczepionki byłoby tak proste, jak przetasowanie genów kodujących odpowiednie fragmenty wirusa do syntetycznego genomu. W ten sposób można by uzyskać ogniwo, które można wykorzystać do szybkiego wytworzenia produktu.

Naukowcy współpracują również z ExxonMobil przekształcenie ogniw alg w żywe fabryki paliw, które wydajnie przekształcałyby dwutlenek węgla w węglowodory, które można by przetwarzać w rafineriach. Nie udało nam się znaleźć istniejących komórek, które wykonują ten proces wystarczająco wydajnie, aby był ekonomicznie opłacalny, mówi Venter.

Inne potencjalne zastosowania obejmują projektowanie syntetycznych drobnoustrojów, które mogłyby oczyszczać wodę lub wytwarzać chemikalia lub składniki żywności. Przewiduję, że w ciągu dekady każde ogniwo wykorzystywane w procesach przemysłowych zostanie wyprodukowane syntetycznie, mówi Venter.

W tym celu naukowcy planują ostatecznie opracować rodzaj uniwersalnej komórki biorcy, która mogłaby uruchomić dowolny genom dawcy. Proces przeszczepu okazał się być najbardziej wymagającym technicznie aspektem budowy komórki syntetycznej, mówi Venter, i idealnie byłoby uniknąć nowej rundy rozwiązywania problemów dla każdego nowego systemu, który jest opracowywany.

Na razie, mówi Voigt, największą przeszkodą w realizacji potencjału genomiki syntetycznej jest przepaść między naszą zdolnością do syntezy DNA a naszą zdolnością do jego projektowania. To będzie następna generacja badań, mówi. Technologia związana z budowaniem DNA jest już dojrzała i będzie to zestaw narzędzi do zaprojektowania tego, który będzie następny.

Poza praktycznymi zastosowaniami, Venter ma również nadzieję, że syntetyczne komórki pomogą wyjaśnić podstawowe zasady życia, być może umożliwiając naukowcom dokładne rozszyfrowanie, co robi każdy składnik komórki bakteryjnej. Chociaż genomy niezliczonych organizmów zostały już zsekwencjonowane, mówi Venter, nadal nie rozumiemy w pełni, jak funkcjonują nawet najprostsze formy życia. „Chcemy spróbować, aby jedna z tych komórek była najlepiej poznanym systemem komórkowym w biologii”, mówi.

Venter wskazuje również na to, co komórki – zasilane genomami wytworzonymi w laboratorium z czterech butelek chemikaliów na podstawie instrukcji przechowywanych na komputerze – ujawniają, czym jest życie. Mówi, że jest to tyleż filozoficzny, co technologiczny postęp. Pogląd, że jest to możliwe, oznacza, że ​​komórki bakteryjne to sterowane przez oprogramowanie maszyny biologiczne. Jeśli zmienisz oprogramowanie, zbudujesz nową maszynę. Nadal mnie to zdumiewa.

Rozwój ten podkreśla fakt, że wychodzimy z ery, w której komórki i DNA muszą być fizycznie przenoszone z jednego miejsca do drugiego, mówi Voigt, do takiej, w której biologia jest informatyką. Teraz byłoby możliwe zsekwencjonowanie genomu organizmu w San Francisco, przesłanie go e-mailem w całym kraju i stworzenie tego organizmu w laboratorium w Maryland. Tylko sama informacja jest w stanie zrekonstruować ten organizm i przywrócić go do życia, mówi Voigt.

ukryć