211service.com
Tworzenie części komórki od podstaw
Naukowcy z Uniwersytetu Harvarda zbudowali od podstaw funkcjonalny rybosom – komórkową maszynę do wytwarzania białek – cząsteczka po cząsteczce. Stworzenie stanowi znaczący krok w kierunku stworzenia sztucznego życia i może ostatecznie wypełnić ogromną lukę w naszym zrozumieniu początków życia. Jednak naukowcy, którzy stworzyli rybosom, są najbardziej zainteresowani jego zastosowaniami przemysłowymi. Planują genetycznie majstrować przy maszynerii molekularnej, aby mogła ona skuteczniej wytwarzać białka, a także białka, które są lustrzanym odbiciem tych, które zwykle występują w naturze. Obydwa ulepszenia mogą być dużą zaletą m.in. w przemyśle farmaceutycznym.
Fabryka białek: Pokazano tutaj strukturę rybosomu, struktury komórkowej, która wytwarza białka. Naukowcy stworzyli teraz rybosom od podstaw.
Aby zrobić rybosomy, Kościół Jerzego , genetyk z Harvardu i badacz podoktorancki Mike Jewett po raz pierwszy zdemontował rybosomy z Escherichia coli , pospolita bakteria laboratoryjna, na jej cząsteczki składowe. Następnie wykorzystali enzymy do ponownego połączenia różnych składników RNA i białek. Po złożeniu w probówce składniki te spontanicznie uformowały się w funkcjonalne rybosomy. Chociaż naukowcy już wcześniej odtworzyli rybosomy, które składają się ze złożonej konfiguracji RNA i białek, już w latach 60. te wcześniejsze wersje były słabymi producentami białek i zostały stworzone w warunkach chemicznych bardzo innych niż normalne komórki.
Naukowcy wykorzystali sztuczny rybosom, aby z powodzeniem wyprodukować enzym lucyferazę, białko świetlika, które generuje blask robaka. W końcu, jak mówi Church, chce stworzyć maleńkie fabryki białek z rybosomów szytych na miarę. Chcemy wytwarzać duże ilości specjalnych białek, które są trudne do wytworzenia in vivo i są przydatne do produkcji szczepionek [i innych celów].
Następnie naukowcy chcą stworzyć rybosom, który może się odtworzyć. Opracowali listę 151 genów, które ich zdaniem są potrzebne do samoreprodukującego się rybosomu, w tym geny białek rybosomalnych, różne typy RNA, enzymy katalizujące różne reakcje w syntezie białek oraz dodatkowe geny niezwiązane bezpośrednio z rybosomem. Uważamy, że to wystarczająca ilość genów, aby replikować DNA, produkować RNA i rybosomy oraz mieć prymitywną błonę, mówi Church. Gdy już to zrobisz, powinna być w stanie działać, jeśli dostarczysz jej aminokwasy i nukleotydy [elementy budulcowe DNA i RNA].
Po uruchomieniu systemu naukowcy mają nadzieję, że zoptymalizują go genetycznie w wydajną fabrykę białek. Produkty białkowe, takie jak leki biologiczne, są obecnie wytwarzane głównie w kadziach z bakteriami. Kiedy wytwarzasz białka w żywych bakteriach, wyrzucasz 90 procent biomasy bakteryjnej tylko po to, aby uzyskać kilka gramów białka, mówi David Deamer , chemik z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Cruz. Gdyby można było to zrobić bez żywych organizmów, mogłoby to być znacznie wydajniejsze.
Rekonstytucja rybosomów: Pokazano tutaj listę części do tworzenia syntetycznego, samoreplikującego się rybosomu. Białka są pokazane na fioletowo, RNA na czerwono, a DNA na niebiesko. Lista obejmuje 54 białka rybosomalne, a także enzymy oparte na RNA zaangażowane w produkcję białek oraz inne cząsteczki, które oddziałują z rybosomami.
Church i jego zespół chcą również użyć rybosomu do stworzenia nowej klasy białek – tych, które są lustrzanym odbiciem białek występujących w naturze. Białka i wiele innych molekuł ma ręczność lub chiralność swojej struktury. Aminokwasy wytwarzane w naturze są prawie wyłącznie lewoskrętne. I tak jak rękawica pasuje tylko do jednej ręki, leworęczne enzymy mogą jedynie katalizować reakcje substratów przy prawidłowej dłoni. Oznacza to, że cząsteczki lustrzane byłyby odporne na rozkład przez zwykłe enzymy, mówi Church. Może to mieć ważne zastosowania przemysłowe, generując długotrwałe enzymy do biofermentacji, wykorzystywane do tworzenia biopaliw i innych produktów.
Przemysł farmaceutyczny może również skorzystać na metodzie tworzenia cząsteczek lustrzanych. W przeciwieństwie do syntezy biologicznej, synteza chemiczna wytwarza mieszaninę cząsteczek lewoskrętnych i prawoskrętnych. Jednak w przypadku wielu leków – najbardziej znanym przykładem jest talidomid – jedna forma jest korzystna, a druga szkodliwa. Oddzielenie tych dwóch wersji jest kosztowne, więc wydajna alternatywa, która od samego początku tworzy pożądaną formę, może być dobrodziejstwem dla producentów. Church i Jewett nie stworzyli jeszcze białka z lustrzanym odbiciem przy użyciu ich syntetycznego rybosomu, ale twierdzą, że można to zrobić po prostu zmieniając kilka cząsteczek w enzymie, który łączy aminokwasy w białka.
Sztuczny rybosom ma też znacznie szersze zastosowania. To ważny krok na drodze do stworzenia sztucznego życia – komórki, która może się samoorganizować i rozmnażać. Naukowcy chcą stworzyć organizm od podstaw zarówno po to, aby lepiej zrozumieć wewnętrzne mechanizmy biologii, jak i stworzyć nowe, wysoce inżynieryjne formy życia, które można wykorzystać do wytwarzania nowych paliw, oczyszczania toksyn lub wykonywania innych użytecznych funkcji.
Ponadto rybosom może rozwiązać główne pytania bez odpowiedzi dotyczące pochodzenia życia. Jak rozwinęły się pierwsze rybosomy lub równoważna struktura na drodze do życia, jakie znamy? To naprawdę duża luka w naszym zrozumieniu pochodzenia życia, mówi Deamer. Jeśli [Kościół] może manipulować częściami, aby stworzyć lepszą lub prostszą wersję rybosomu, nauczy nas to wiele o tym, jak powstały rybosomy. Po drugie, dlaczego prawie całe życie ma lewoskrętną chiralność? To tajemnica, mówi Fred Blattner, genetyk na Uniwersytecie Wisconsin-Madison. Czy tak się właśnie stało, czy może jest jakiś powód, którego nie jesteśmy świadomi? W przypadku leworęcznego rybosomu odpowiedź na to pytanie może wkrótce być w zasięgu ręki.