211service.com
Nākotnē mēs nerediģēsim genomus — mēs tikai izdrukāsim jaunus
Kāpēc pazemīgā rauga pārprojektēšana varētu izraisīt nākamo industriālo revolūciju? 2018. gada 16. februāris
NYU Medicīnas skola
Vismaz kopš izslāpušie šumeri sāka ražot alu pirms tūkstošiem gadu, Homo sapiens ir bijušas ciešas attiecības ar Saccharomyces cerevisiae , vienšūnu sēne, kas labāk pazīstama kā alus raugs. Ar fermentācijas palīdzību cilvēki varēja izmantot mikroskopisku sugu mūsu pašu vajadzībām. Mūsdienās rauga šūnas ražo etanolu un insulīnu, un tās ir zinātnes laboratoriju darba zirgs.
Tas nenozīmē S. cerevisiae nevar vēl vairāk uzlabot — vismaz ne tad, ja Džefam Būkam ir pa spēkam. Ņujorkas Universitātes Langone Health Sistēmu ģenētikas institūta direktors Boeke vada starptautisku simtiem cilvēku komandu, kuras mērķis ir sintezēt 12,5 miljonus ģenētisko burtu, kas veido rauga šūnu genomu.
Praksē tas nozīmē pakāpenisku katras rauga hromosomas (to ir 16) nomaiņu ar DNS, kas izgatavota uz plīts izmēra ķīmiskajiem sintezatoriem. Darba gaitā Boeke un līdzstrādnieki gandrīz desmit iestādēs racionalizē rauga genomu un ieliek sētas durvis, lai ļautu pētniekiem pēc vēlēšanās sajaukt tā gēnus. Galu galā sintētiskais raugs, ko sauc par Sc2.0, būs pilnībā pielāgojams.
Nākamo 10 gadu laikā sintētiskā bioloģija ražos visu veidu savienojumus un materiālus ar mikroorganismiem, saka Boeke. Mēs ceram, ka mūsu raugam tajā būs liela nozīme.
Padomājiet par projektu kā par kaut ko līdzīgu Henrija Forda pirmajam automobilim — ar rokām būvētu un pagaidām unikālu. Tomēr kādu dienu mēs varam regulāri veidot genomus datoru ekrānos. Tā vietā, lai izstrādātu vai pat rediģētu organisma DNS, varētu kļūt vieglāk vienkārši izdrukāt jaunu kopiju. Iedomājieties dizaineru aļģes, kas ražo degvielu; slimību izturīgi orgāni; pat izmirušas sugas augšāmcēlās.
Džefs Būks vada pūliņus, lai radītu raugu ar cilvēka radītu genomu. NYU Medicīnas skola
Es domāju, ka tas varētu būt lielāks par kosmosa revolūciju vai datoru revolūciju, saka Džordžs Čērčs, genoma zinātnieks no Hārvardas Medicīnas skolas.
Pētnieki iepriekš ir sintezējuši ģenētiskās instrukcijas, kas darbojas ar vīrusiem un baktērijām. Bet rauga šūnas ir eikariotiskas — tas nozīmē, ka tās ierobežo savus genomus kodolā un apvieno tos hromosomās, tāpat kā cilvēki. Viņu genomi ir arī daudz lielāki.
Tā ir problēma, jo DNS sintezēšana joprojām nav tik lēta kā tās lasīšana. Cilvēka genomu tagad var sekvencēt par USD 1000, un izmaksas joprojām samazinās. Salīdzinājumam, lai aizstātu katru DNS burtu raugā, Boeke tas būs jāiegādājas USD 1,25 miljonu vērtībā. Pievienojot darbaspēku un datoru jaudu, projekta kopējās izmaksas, kas tiek īstenotas jau desmit gadus, ir ievērojami lielākas.
Kopā ar Church, cita starpā, Boeke ir GP-write vadītājs, organizācija, kas iestājas par starptautiskiem pētījumiem, lai nākamajā desmitgadē samazinātu genomu projektēšanas, inženierijas un testēšanas izmaksas par tūkstoti. Viņš saka, ka mums kā sugai uz šīs planētas ir jāsaskaras ar visdažādākajiem izaicinājumiem, un bioloģijai var būt liela ietekme uz tām. Bet tikai tad, ja mēs varam samazināt izmaksas.
No apakšas uz augšu
Zinātnieks Ronalds Deiviss Stenfordā pirmo reizi ierosināja iespēju sintezēt rauga genomu 2004. gada konferencē, lai gan sākotnēji Boeke nesaskatīja jēgu. Kāpēc lai kāds to vēlētos darīt? viņš atceras domāšanu.
Bet Boeke nonāca pie idejas, ka rauga genoma izgatavošana varētu būt labākais veids, kā izprast organismu. Nomainot katru daļu, jūs varētu uzzināt, kuri gēni ir nepieciešami un bez kuriem organisms var dzīvot. Daži komandas locekļi ideju sauc, lai saprastu.
Tas ir atšķirīgs mēģinājums saprast, kā darbojas dzīvās būtnes, saka Leslija Mičela, NYU laboratorijas pēcdoktorantūra un viena no galvenajām sintētiskā rauga izstrādātājām. Mēs uzzinām, kādas nepilnības mūsu zināšanās pastāv, izmantojot augšupēju ģenētisko pieeju.
Džoels Bāders, Džona Hopkinsa datorzinātnieks, parakstījās, lai izstrādātu programmatūru, kas ļauj zinātniekiem redzēt rauga hromosomas ekrānā un sekot līdzi to izmaiņām, piemēram, Google dokumenti bioloģijai. Un 2008. gadā, lai izveidotu DNS, Boeke uzsāka bakalaura kursu Hopkinsā ar nosaukumu Build a Genome. Studenti apgūs molekulārās bioloģijas pamatprincipus, katrs savācot nepārtrauktu 10 000 DNS burtu posmu, kas virzās uz sintētiskā rauga projektu. Vēlāk vairākas iestādes Ķīnā pievienojās, lai dalītu darba slodzi, kā arī līdzstrādnieki Lielbritānijā, Austrālijā un Japānā.
Mēs piešķiram hromosomas atsevišķām komandām, piemēram, piešķirot grāmatas nodaļu, un tās var brīvi izlemt, kā to darīt, ja vien tas ir 100% balstīts uz mūsu izstrādāto, saka Patriks Kais, sintētiskais biologs no Universitātes. Mančestra un rauga projekta starptautiskais koordinators.
Nākamie soļi
Boeke un viņa komanda pagāja astoņus gadus, pirms viņi varēja publicēt savu pirmo pilnībā mākslīgo rauga hromosomu. Kopš tā laika projekts ir paātrinājies. Pagājušā gada martā nākamās piecas sintētiskās rauga hromosomas tika aprakstītas dokumentu komplektā Zinātne , un Boeke saka, ka visas 16 hromosomas tagad ir vismaz 80 procenti. Šie centieni ir vislielākais ģenētiskā materiāla daudzums, kas jebkad sintezēts un pēc tam savienots.
Tas palīdz, ka rauga genoms ir izrādījies ļoti izturīgs pret komandas redzējumu un pārskatīšanu. Droši vien lielākais virsraksts šeit ir tāds, ka jūs varat spīdzināt genomu dažādos veidos, un raugs tikai smejas, saka Boeke.
Džordža Čērča no Hārvarda universitātes uzstājas genoma inženieru sanāksmē.
Boeke un viņa kolēģi ne tikai aizstāj dabisko rauga genomu ar sintētisko (vienkārši tā kopijas izgatavošana būtu triks, saka Čērča). Visā organisma DNS tie ir izvietojuši arī molekulāras atveres, piemēram, neredzamos lūzumus burvju mākslinieka tērauda gredzenos. Tie ļauj viņiem mainīt rauga hromosomas kā kāršu klāju, kā saka Cai. Sistēma ir pazīstama kā SCRaMbLE, kas paredzēta sintētiskai hromosomu rekombinācijai un modificēšanai, izmantojot LoxP mediētu evolūciju.
Rezultāts ir ātrdarbīga, cilvēku virzīta evolūcija: miljoniem jaunu rauga celmu ar dažādām īpašībām var pārbaudīt laboratorijā, lai pārbaudītu to piemērotību un darbību tādās lietojumprogrammās kā, iespējams, medicīna un rūpniecība. Mičels prognozē, ka ar laiku Sc2.0 izspiedīs visu parasto raugu zinātniskajās laboratorijās.
Boeke projekta galīgo mantojumu varētu izlemt, kāds genoms tiks sintezēts tālāk. GP-write grupa sākotnēji domāja, ka sintētiskā cilvēka genoma izveidošana būtu liels izaicinājums. Daži bioētiķi nepiekrita un asi kritizēja plānu. Boeke uzsver, ka grupa nedarīs projektu, kura mērķis ir izveidot cilvēku ar sintētisku genomu. Tas nozīmē, ka nav dizaineru cilvēku.
Neņemot vērā ētiskos apsvērumus, pilna cilvēka genoma sintezēšana, kas ir vairāk nekā 250 reizes lielāks par rauga genomu, ar pašreizējām metodēm ir nepraktiska. Arī centieniem attīstīt tehnoloģiju trūkst finansējuma. Boeke rauga darbu ir finansējis Nacionālais zinātnes fonds un akadēmiskās institūcijas, tostarp partneri Ķīnā, taču plašāka GP-write iniciatīva nav piesaistījusi lielu atbalstu, izņemot 250 000 USD sākotnējo ziedojumu no datordizaina uzņēmuma Autodesk. Salīdziniet to ar cilvēka genoma projektu, kuram tika piešķirts ASV finansējums vairāk nekā 3 miljardu ASV dolāru apmērā.
Šī ir revolūcija, no kuras mēs nevēlamies atpalikt, saka Church. Ja federālā valdība un visi 50 štati to nevēlas darīt, mēs pļausim to, ko sēsim. Mēs paliksim aiz borta.
Tikmēr darbs turpinās, bāzes pāri pa bāzes pārim. Žurnālu vākos un komandas fotogrāfijās Būkam pie sava biroja durvīm ir citāts, kas piedēvēts ģenētiķim Teodosijam Dobžanskim: Nekam bioloģijā nav jēgas, izņemot evolūcijas gaismā. Neatkarīgi no tā, kāds grandiozs projekts gūtu panākumus Sc2.0 — iespējams, sintezētu peles genomu vai izstrādātu cūkas, lai izstrādātu drošus orgānus cilvēka transplantācijai —, arvien biežāk šo evolūciju vadīs cilvēki. Ja tas tā ir, Sc2.0 var būt otrs svarīgākais sasniegums, kas jebkad ir aprīkots ar raugu — aiz alus.