211service.com
W przyszłości nie będziemy edytować genomów – po prostu wydrukujemy nowe
Dlaczego przeprojektowanie skromnych drożdży może zapoczątkować kolejną rewolucję przemysłową. 16 lutego 2018
Szkoła Medyczna NYU
Przynajmniej odkąd spragnieni Sumerowie zaczęli warzyć piwo tysiące lat temu, Homo sapiens miał bliski związek z Saccharomyces cerevisiae , jednokomórkowy grzyb lepiej znany jako drożdże piwowarskie. Poprzez fermentację ludzie byli w stanie wykorzystać mikroskopijny gatunek do własnych celów. W dzisiejszych czasach komórki drożdży produkują etanol i insulinę i są koniem roboczym laboratoriów naukowych.
To nie znaczy S. cerevisiae nie da się dalej ulepszyć — przynajmniej nie, jeśli Jef Boeke ma swój sposób. Boeke, dyrektor Instytutu Genetyki Systemów w Langone Health na Uniwersytecie Nowojorskim, przewodzi międzynarodowemu zespołowi składającemu się z setek osób, którego celem jest synteza 12,5 miliona liter genetycznych, które składają się na genom komórek drożdży.
W praktyce oznacza to stopniowe zastępowanie każdego chromosomu drożdży — jest ich 16 — DNA wytworzonym na syntezatorach chemicznych wielkości pieca. W miarę upływu czasu Boeke i współpracownicy z kilkunastu instytucji usprawniają genom drożdży i wprowadzają tylne drzwi, aby umożliwić naukowcom dowolne tasowanie genów. Ostatecznie syntetyczne drożdże — zwane Sc2.0 — będą w pełni konfigurowalne.
W ciągu najbliższych 10 lat biologia syntetyczna będzie produkować wszelkiego rodzaju związki i materiały z mikroorganizmami, mówi Boeke. Mamy nadzieję, że nasze drożdże odegrają w tym dużą rolę.
Pomyśl o tym projekcie jak o pierwszym samochodzie Henry'ego Forda – ręcznie zbudowanym i na razie jedynym w swoim rodzaju. Jednak pewnego dnia możemy rutynowo projektować genomy na ekranach komputerów. Zamiast konstruować, a nawet edytować DNA organizmu, łatwiej byłoby po prostu wydrukować świeżą kopię. Wyobraź sobie designerskie glony, które wytwarzają paliwo; narządy odporne na choroby; wskrzeszono nawet wymarłe gatunki.
Jef Boeke stara się stworzyć drożdże z genomem stworzonym przez człowieka. Szkoła Medyczna NYU
Myślę, że to może być większe niż rewolucja kosmiczna czy rewolucja komputerowa, mówi George Church, badacz genomu z Harvard Medical School.
Naukowcy zsyntetyzowali wcześniej instrukcje genetyczne, które obsługują wirusy i bakterie. Ale komórki drożdży są eukariotyczne – co oznacza, że zamykają swoje genomy w jądrze i łączą je w chromosomy, tak jak robią to ludzie. Ich genomy są również znacznie większe.
To problem, ponieważ synteza DNA wciąż nie jest tak tania, jak czytanie go. Ludzki genom można teraz zsekwencjonować za 1000 USD, a koszty wciąż spadają. Dla porównania, aby zastąpić każdą literę DNA w drożdżach, Boeke będzie musiał kupić ją za 1,25 miliona dolarów. Dodajmy do tego siłę roboczą i komputer, a całkowity koszt projektu, który trwa już od dziesięciu lat, jest znacznie wyższy.
Wraz z Churchem, między innymi, Boeke jest liderem GP-write, organizacji promującej międzynarodowe badania mające na celu zmniejszenie kosztów projektowania, inżynierii i testowania genomów tysiąckrotnie w ciągu następnej dekady. Jako gatunek na tej planecie stoimy przed różnego rodzaju wyzwaniami, a biologia może mieć na nie ogromny wpływ, mówi. Ale tylko wtedy, gdy uda nam się obniżyć koszty.
Od dołu do góry
Naukowiec Ronald Davis ze Stanford po raz pierwszy zasugerował możliwość zsyntetyzowania genomu drożdży na konferencji w 2004 r. – choć początkowo Boeke nie widział sensu. Dlaczego ktoś miałby chcieć to zrobić? wspomina myślenie.
Ale Boeke wpadł na pomysł, że wytworzenie genomu drożdży może być najlepszym sposobem na zrozumienie organizmu. Wymieniając każdą część, możesz dowiedzieć się, które geny są potrzebne, a bez których organizm może żyć. Niektórzy członkowie zespołu nazywają budowanie pomysłu, aby zrozumieć.
To inne podejście do próby zrozumienia, jak działają żywe organizmy, mówi Leslie Mitchell, habilitant w laboratorium NYU i jeden z głównych projektantów syntetycznych drożdży. Dowiadujemy się, jakie luki w naszej wiedzy istnieją w oddolnym podejściu genetycznym.
Joel Bader, informatyk z Johns Hopkins, podpisał umowę, by opracować oprogramowanie, które pozwoli naukowcom zobaczyć chromosomy drożdży na ekranie i śledzić ich wersje, takie jak Dokumenty Google dla biologii. A w 2008 roku, aby stworzyć DNA, Boeke rozpoczął studia licencjackie w Hopkins o nazwie Build a Genome. Uczniowie uczyliby się podstaw biologii molekularnej, ponieważ każdy z nich składał ciągły ciąg 10 000 liter DNA, które byłyby przeznaczone do projektu drożdży syntetycznych. Później dołączyło kilka instytucji z Chin, aby podzielić się pracą, wraz ze współpracownikami z Wielkiej Brytanii, Australii i Japonii.
Przypisujemy chromosomy poszczególnym zespołom, jak przypisując rozdział w książce, i mają swobodę decydowania, jak to zrobić, o ile opiera się to w 100% na tym, co projektujemy, mówi Patrick Cai, biolog syntetyczny z Uniwersytetu Manchester i międzynarodowy koordynator projektu drożdżowego.
Następne kroki
Dopiero po ośmiu latach Boeke i jego zespół byli w stanie opublikować swój pierwszy w pełni sztuczny chromosom drożdży. Projekt od tego czasu przyspieszył. W marcu zeszłego roku w zestawie artykułów w artykule opisano pięć kolejnych syntetycznych chromosomów drożdży Nauka , a Boeke mówi, że wszystkie 16 chromosomów jest teraz gotowych w co najmniej 80 procentach. Wysiłki te reprezentują największą ilość materiału genetycznego, jaki kiedykolwiek zsyntetyzowano, a następnie połączono.
Pomaga to, że genom drożdży okazał się wyjątkowo odporny na wizje i poprawki zespołu. Prawdopodobnie największym nagłówkiem jest to, że można torturować genom na wiele różnych sposobów, a drożdże po prostu się śmieją, mówi Boeke.
George Church z Uniwersytetu Harvarda przemawia na spotkaniu inżynierów genomu.
Boeke i jego koledzy nie zastępują po prostu naturalnego genomu drożdży syntetycznym (samo zrobienie jego kopii byłoby sztuczką, mówi Church). W całym DNA organizmu umieścili również otwory molekularne, takie jak niewidzialne pęknięcia w stalowych pierścieniach maga. Pozwalają im przetasować chromosomy drożdży jak talię kart, jak to ujmuje Cai. System znany jest jako SCRaMbLE, do rekombinacji i modyfikacji syntetycznych chromosomów przez ewolucję za pośrednictwem LoxP.
Rezultatem jest szybka ewolucja napędzana przez człowieka: miliony nowych szczepów drożdży o różnych właściwościach można przetestować w laboratorium pod kątem sprawności i funkcji w zastosowaniach, takich jak, ostatecznie, medycyna i przemysł. Mitchell przewiduje, że z czasem Sc2.0 wyprze wszystkie zwykłe drożdże w laboratoriach naukowych.
O ostatecznym dziedzictwie projektu Boeke może zadecydować, jaki genom zostanie zsyntetyzowany w następnej kolejności. Grupa GP-writerzy początkowo wyobrażała sobie, że stworzenie syntetycznego ludzkiego genomu będzie pociągało za sobą wielkie wyzwanie. Niektórzy bioetycy nie zgodzili się z tym planem i ostro skrytykowali ten plan. Boeke podkreśla, że grupa nie wykona projektu, którego celem jest stworzenie człowieka z syntetycznym genomem. To oznacza brak projektantów.
Pomijając względy etyczne, synteza pełnego genomu ludzkiego – który jest ponad 250 razy większy niż genom drożdży – jest niepraktyczna przy użyciu obecnych metod. Wysiłki zmierzające do rozwoju technologii również nie są finansowane. Prace Boeke dotyczące drożdży zostały sfinansowane przez National Science Foundation i instytucje akademickie, w tym partnerów w Chinach, ale większa inicjatywa GP-write nie przyciągnęła większego wsparcia, poza wstępną darowizną w wysokości 250 000 USD od firmy Autodesk zajmującej się projektowaniem komputerów. Porównaj to z Human Genome Project, który otrzymał ponad 3 miliardy dolarów dofinansowania z USA.
To rewolucja, w której nie chcemy pozostawać w tyle, mówi Church. Jeśli rząd federalny i wszystkie 50 stanów nie zechcą tego zrobić, zbierzemy to, co zasialiśmy. Zostaniemy w tyle.
W międzyczasie poród trwa, para zasad po parze zasad. Wśród okładek czasopism i zdjęć zespołu Boeke ma na drzwiach swojego biura cytat, przypisywany genetykowi Theodosiusowi Dobzhansky'emu: Nic w biologii nie ma sensu, chyba że w świetle ewolucji. Bez względu na to, jaki wielki projekt zakończy się sukcesem Sc2.0 — być może synteza genomu myszy lub inżynieria świń w celu opracowania bezpiecznych narządów do przeszczepu ludzi — ewolucją będą coraz częściej kierować ludźmi. Jeśli tak jest, Sc2.0 może stać się drugim najważniejszym osiągnięciem w historii drożdży — po piwie.