Sintētiskais genoms pārstartē šūnu

15 gadus ilga projekta kulminācijā zinātnieki pie J. Kreiga Ventera institūts ir izstrādājuši pirmo šūnu, ko kontrolē sintētiskais genoms.

Sākot no nulles: Zinātnieki pārstartēja baktēriju šūnas, pārstādot laboratorijā ražoto Mycoplasma mycoides genoma sintētisko versiju. Sintētiskais genoms ietver marķiera gēnu, kas veido zilu savienojumu, tāpēc sintētiskās šūnas veido zilas kolonijas (augšā). Dabiski sastopamajam M. mycoides genomam šī gēna trūkst, tāpēc savvaļas tipa šūnas veido baltas kolonijas (apakšā).

Šī ir pirmā reize, kad informācija par genoma secību ir pārvērsta dzīvē, saka Kriss Voigts , sintētiskais biologs Kalifornijas Universitātē Sanfrancisko, kurš nebija iesaistīts projektā. Tas ir patiešām ievērojams.

Izmantojot 2008. gadā izstrādāto metodi, pētnieki genomikas pioniera Kreiga Ventera vadībā sintezēja niecīgas baktērijas genomu. Mycoplasma mycoides , kas satur nedaudz vairāk par miljonu DNS bāzu pāru. Pēc tam viņi pārstādīja sintētisko genomu radniecīgā baktērijā, Mycoplasma capricolum , procesā, ko viņi iepriekš bija pilnveidojuši, izmantojot nesintētiskas hromosomas.

Kad saņēmējas šūnas iekļāva sintētisko genomu, tās nekavējoties sāka izpildīt genomā kodētās instrukcijas. Tikai ražotās šūnas M. mycoides olbaltumvielas, un dažu pašreplikācijas kārtu laikā visas saņēmējas sugas pēdas bija pazudušas. Rezultāti bija publicēts Ceturtdien žurnāla tiešsaistes izdevumā Zinātne .

Lai atšķirtu to sintētisko genomu no dabiski sastopamās versijas, pētnieki secībā iekodēja virkni ūdenszīmju. Viņi sāka, izstrādājot kodu angļu alfabēta, kā arī pieturzīmju un ciparu rakstīšanai DNS valodā — pašā secībā ir iekļauta dekodēšanas atslēga. Pēc tam viņi ierakstīja savos vārdos, dažus citātus un vietnes adresi, kuru lietotāji var apmeklēt, ja viņi veiksmīgi uzlauž kodu.

Sintētiskās dzīvības radīšanas ziņā šis projekts ir principa pierādījums: neskaitot ūdenszīmes un dažas gēnu dzēšanas, lai samazinātu sugas spēju izraisīt slimības, sintētiskais genoms būtībā atjauno dabā sastopamu genomu. Venters cer, ka nākotnē sintētisko genoma tehnoloģiju varēs izmantot, lai izstrādātu un attīstītu pilnīgi jaunus organismus ar plašu praktisko pielietojumu.

Venters un viņa kolēģi sadarbojas ar Novartis un Nacionālajiem veselības institūtiem, lai sintezētu kasetes — gēnu kopas, kuras varētu ievietot sintētiskā genomā — katram zināmajam gripas vīrusam, cenšoties racionalizēt vakcīnas ražošanas procesu. Viņi paredz sistēmu, kurā, ja parādās jauns celms, piemēram, H1N1, vakcīnas izstrāde būtu tikpat vienkārša kā attiecīgos vīrusa fragmentus kodējošo gēnu sajaukšana sintētiskā genomā. Tas varētu radīt šūnu, ko varētu izmantot, lai ātri ražotu produktu.

Pētnieki arī sadarbojas ar ExxonMobil pārveidot aļģu šūnas dzīvās degvielas rūpnīcās, kas efektīvi pārvērstu oglekļa dioksīdu ogļūdeņražos, kurus varētu pārstrādāt rafinēšanas rūpnīcās. Nav tādu šūnu, kuras mēs būtu spējuši atrast, kas šo procesu veiktu pietiekami efektīvi, lai padarītu to ekonomiski dzīvotspējīgu, saka Venters.

Citi iespējamie pielietojumi ietver sintētisko mikrobu projektēšanu, kas varētu attīrīt ūdeni vai ražot ķīmiskas vielas vai pārtikas sastāvdaļas. Es prognozēju, ka desmit gadu laikā jebkura šūna, kas tiek izmantota rūpnieciskajos procesos, tiks izgatavota sintētiski, saka Venters.

Šim nolūkam pētnieki plāno galu galā izstrādāt sava veida universālu recipienta šūnu, kas varētu palaist jebkuru donora genomu. Pārstādīšanas process ir izrādījies tehniski sarežģītākais sintētiskās šūnas veidošanas aspekts, saka Venters, un būtu ideāli izvairīties no jaunas problēmu novēršanas kārtas katrai jaunai sistēmai, kas tiek izstrādāta.

Pagaidām, saka Voigt, lielākais šķērslis sintētiskās genomikas potenciāla realizēšanai ir plaisa starp mūsu spēju sintezēt DNS un mūsu spēju to izstrādāt. Viņš saka, ka tā būs nākamās paaudzes pētījumi. DNS veidošanas tehnoloģija tagad ir nobriedusi, un tā būs rīku kopa, lai to izstrādātu.

Papildus praktiskajam pielietojumam Venter arī cer, ka sintētiskās šūnas palīdzēs noskaidrot dzīves pamatprincipus, iespējams, ļaujot pētniekiem precīzi atšifrēt, ko dara katra baktēriju šūnas sastāvdaļa. Lai gan tagad ir sekvencēti neskaitāmu organismu genomi, saka Venters, mēs joprojām pilnībā nesaprotam, kā darbojas pat visvienkāršākās dzīvības formas. Viņš saka, ka mēs vēlamies mēģināt padarīt vienu no šīm šūnām par vislabāk saprotamo šūnu sistēmu bioloģijā.

Venters arī norāda uz to, ko šūnas, ko darbina genomi, kas izgatavoti laboratorijā no četrām ķīmisko vielu pudelēm, pamatojoties uz datorā saglabātām instrukcijām, atklāj, kas ir dzīvība. Viņš saka, ka tas ir tikpat filozofisks, kā tehnoloģisks sasniegums. Uzskats, ka tas ir iespējams, nozīmē, ka baktēriju šūnas ir programmatūras vadītas bioloģiskas iekārtas. Ja maināt programmatūru, jūs izveidojat jaunu mašīnu. Es joprojām esmu par to pārsteigts.

Izstrāde uzsver faktu, ka mēs virzāmies ārpus laikmeta, kurā šūnas un DNS ir fiziski jāpārnes no vienas vietas uz otru, saka Voigt, uz vietu, kurā bioloģija ir informācijas zinātne. Tagad būtu iespējams sekvencēt organisma genomu Sanfrancisko, nosūtīt secību pa e-pastu visā valstī un nogādāt šo organismu laboratorijā Merilendā. Tikai informācija pati par sevi spēj rekonstruēt šo organismu un pārvērst to atpakaļ dzīvē, saka Voigts.

paslēpties