Kā pārveidot dzīvi

Li Ma, J. Kreiga Ventera institūta tehniķis Rokvilā, MD, ar precīzu kustību ar pipeti ievada ķiršsarkano baktēriju šūnu šķīdumu flakonā, kurā ir dzidrs trauslu DNS cilpu šķīdums. Šīs cilpas, lielākās DNS daļas, kas jebkad ir savāktas laboratorijā, katra spēj kontrolēt visas parastās šūnas funkcijas. Taču DNS izcelsme nebija nevienā baktērijā: tā vietā zinātnieki to sadalīja no pudelēs pildītām ķīmiskām vielām. Process, ko viņi nesen izstrādāja šim nolūkam, ir pirmais, kas rada sintētiskas šūnas, kas spēj izdzīvot. Dažas baktēriju šūnas, ar kurām strādā Ma, saplūst kopā šķīdumā, aptverot sintētisko genomu un pēc tam replikējoties un dzīvojot tā kontrolē.

Šūnu šķīdumu, no kuriem dažas satur jauno genomu, sajauc ar želejas barotni, kas satur antibiotiku. Pēc tam to ielej Petri trauciņos un ievieto inkubatorā. Tikai šūnas, kas satur sintētisko genomu, satur gēnu, kas aizsargā tās no antibiotikas. Zilie plankumi ir baktēriju kolonijas, kuras tagad kontrolē transplantētais sintētiskais genoms.

Tradicionālā gēnu inženierija ir ilgstošs process, kurā gēni tiek mainīti pa vienam, bieži vien secīgās organismu paaudzēs. Tas padara radikālu genoma maiņu par biedējošu ierosinājumu. Taču jaunizstrādātās metodes ļauj pētniekiem rediģēt genomus datorā, atņemot vai pievienojot gēnus, burtiski izgriežot un ielīmējot tos failā. Tas vairāk līdzinās teksta apstrādei, nevis tradicionālajam laboratorijas darbam, kas saistīts ar organismu paaudžu kultivēšanu un skrīningu. Pēc tam pētnieki var veikt faila izdrukāšanas ģenētisko ekvivalentu, un tad viņi var pārstādīt rezultātu - jaunu genomu - esošajās šūnās. Šīs darbības ievērojami paātrina inženierijas procesu; var paiet tikai nedēļas, lai pabeigtu eksperimentus, kas iepriekš būtu prasījuši mēnešus vai gadus.

Šis stāsts bija daļa no mūsu 2010. gada septembra numura

• Skatiet pārējo izdevuma daļu
• Abonēt

Galu galā pētnieki vēlas izmantot sintētisko bioloģiju, lai izstrādātu mikrobus, kas ļoti efektīvi ražo vakcīnas, tīru degvielu un citus produktus. Bet viņi nevar izveidot jaunus genomus no nulles, jo viņi vēl nezina pietiekami daudz par to, kādi gēni un gēnu tīkli ir nepieciešami dzīvības uzturēšanai un vēlamā produkta ražošanai. Jūs varētu noņemt vienu gēnu un šūna dzīvos; noņemiet otru, un tas nomirst; pēc tam noņemiet trešo, un tas atkal dzīvo, saka Daniels Gibsons, institūta asociētais profesors. Tādējādi Venter pētnieki eksperimentē ar dabiski sastopama genoma secību. Viņi cer uzzināt vairāk par to, kā darbojas genomi un šūnas, ātri dzēšot un pievienojot gēnus dažādās kombinācijās, iekļaujot jaunos genomus šūnās un pēc tam novērojot, kā šie genomi darbojas vai nedarbojas.

Ģenētiskā pārskatīšana

Process sākas datorā, kur Gibsons izvelk baktērijas genomu Mycoplasma mycoides . Tas ir salīdzinoši vienkāršs, un tajā ir tikai 1 078 809 DNS bāzes pāri, kas veido aptuveni 900 gēnu. (Salīdzinājumā, E. coli baktērijām ir aptuveni 4400 gēnu.) Gibsons un viņa kolēģi ir veikuši dažas izmaiņas: viņi no sekvences ir izdzēsuši 14 gēnus un pievienojuši citus. Lai izveidotu ūdenszīmi, kas atšķir to radīšanu, viņi izstrādāja kodu, kas pārvērš angļu valodu DNS četru burtu alfabētā, un izmantoja to genoma modificēšanai, iekļaujot viņu vārdus, URL, dažus teikumus un e-pasta adresi. genoms.

Pēc tam Gibsona grupa izmanto programmatūru, lai sadalītu modificēto genomu 1100 sekcijās, no kurām katra ir aptuveni 1080 bāzu pāru garumā – tādā lielumā, ko var ekonomiski izgatavot ar DNS sintezatoru, mašīnu, kas sadala DNS gabalus no atsevišķiem bāzu pāriem, kas tiek piegādāti pudelēs pildītos šķīdumos. Visbeidzot, pētnieki izmanto rauga šūnas, lai savienotu šīs garās daļas, un tas ir darbs, ko mašīnas nevar paveikt.

Gibsons nometas ceļos pie ledusskapja laboratorijā un izvelk 12 plastmasas kastes, katrā no kurām ir 96 iedobes, kas pilnas ar DNS fragmentiem, kuru pamatā ir datorizēti modificētie dizaini. Viņš saliek tos uz soliņa un saka: Šis ir viss genoms 1100 gabalos. Gibsons izmanto pipeti, lai secīgi savāktu 10 fragmentus un pievienotu tos niecīgai plastmasas caurulei kopā ar papildu DNS fragmentu, kas palīdzēs savilkt secību kopā cilpā. Pēc tam viņš pievieno rauga šūnas, kas ir apstrādātas, lai tās varētu uzņemt DNS gabalus. Katra rauga šūna domā, ka šie DNS gabali ir daļa no tās pašas hromosomas, un tā ir salauzta, viņš saka. Tā vēlas tos atkal apvienot. Pētnieki izstrādāja DNS fragmentus tā, lai tiem, kas jāsavieno kopā, būtu galos ar atbilstošām sekvencēm. Raugs sadala 10 fragmentus kopā, saskaņojot šīs sekvences, lai izveidotu DNS cilpas, kas katra ir 10 000 bāzes pāru gara. Procesa atkārtošana savieno 10 000 bāzu pāru sekvences, veidojot 100 000 bāzu pāru genoma segmentus. Pēc trešā apvienošanas posma raugs ir savienojis visu sintētisko genomu. Izmantojot noteiktas metodes, sintētiskos genomus ekstrahē no rauga.

Apstrāde ar iegūto DNS prasa ievērojamu rūpību: pat neliels genoms ir gigantiska, trausla molekula. Tas sadalīsies 100 gabalos, ja uz to vienkārši paskatīsities nepareizi, saka Gibsons. Ja to suspendētu šķidrā šķīdumā, DNS varētu iznīcināt tikai šķidruma kustībā. Tātad Gibsons imobilizē genomus agarozē, no aļģēm iegūtā gēlā, ko parasti izmanto kā barotni mikrobiem. Ieslēgtas šajā aizsarggranulā, tās var droši uzglabāt, līdz pētnieki ir gatavi tos pārstādīt recipienta šūnās.

Maza transplantācija

Laboratorijā, kas atrodas gaitenī, Ma ir sagatavojusi šūnas, kas saņems jauno secību: baktēriju sugu, ko sauc Mycoplasma capricolum kas ir cieši saistīts ar sugām, no kurām iegūts sintētiskais genoms. Kamēr enzīms, kas noārda agarozi, vienā mēģenē sašķidrina DNS saturošas granulas, Ma iegūst citu mēģeni un sajauc baktērijas ar kalcija hlorīdu un polietilēnglikolu, kokteili, kas, pēc pētnieku domām, padara šūnu virsmas kaļamas un lipīgas. Tagad tas ir nejaušības un stabilas rokas jautājums. Ma ar pipeti ievada daļu šūnu maisījuma flakonā, kurā ir sintētiskā genoma cilpas. Lipīgās šūnas sāk saplūst viena ar otru. Lai pēc saplūšanas saglabātu savu sfērisko formu, tām ir jāuzņem tilpums no apkārtējā šķīduma. Tā notiek, dažas šūnas — aptuveni viena no 100 000 — arī uzņem sintētisko genomu. Rezultāts ir sava veida superšūna ar trim genomiem - sintētisko genomu un vienu no katras no divām šūnām. Pēc tam superšūna sadalās trīs mazākās šūnās, no kurām viena satur sintētisko genomu.

Ma iesmērē šūnu šķīdumu uz kultūras plāksnēm, kurās ir antibiotika, pret kuru rezistentas ir tikai šūnas ar sintētisko genomu (genoma rediģēšanas procesā pētnieki pievienoja gēnu, kas padara tās tam necaurlaidīgas). Šīs šūnas dzīvos, aug un dalīsies jaunā genoma kontrolē. Pārējie mirst, atstājot aiz sevis tīru sintētisko šūnu koloniju.

Nākamais Ventera institūta pētnieku solis ir izmantot viņu genoma rediģēšanas, sintezēšanas un transplantācijas metodes, lai izstrādātu un pārbaudītu genomus ar mazāk un mazāk gēnu. Mērķis ir izveidot minimālu šūnu – tādu, kurā būtu tikai izdzīvošanai nepieciešamie gēni. Šādu šūnu varētu būt vieglāk pārveidot, izmantojot gēnu inženieriju, nekā dabisku.

Pētnieku metodes pašlaik ir ļoti dārgas: sintētiskā genoma izveidošana un pārstādīšana maksā 300 000 līdz 500 000 USD, ja pētnieki sintezē DNS mājās, vai apmēram trīs reizes vairāk, ja viņi to iegādājas no ārēja piegādātāja. Tomēr DNS sintēzes cena krītas un var turpināt samazināties vēl vairāk, pieaugot pieprasījumam un pilnveidojoties tehnoloģijām. Ja tas notiks un genoma veidošanas metodes izrādīsies tikpat noderīgas, kā to cer Venter pētnieki, vairāk cilvēku sāks pieņemt viņu metodes, saka Džeimss Kolinss, Bostonas universitātes biomedicīnas inženierijas profesors.

Tas ir nozīmīgs progress sintētiskajā bioloģijā, saka Kolinss. Tagad mums ir jāredz, kādas ir izmaiņas, kuras var ieviest genomā?

paslēpties