Οι άνθρωποι έχουν χρησιμοποιήσει αυτό που γνωρίζουν για τον βιολογικό κόσμο για να κάνουν πράγματα εδώ και αιώνες - από μπύρα σε αντιβιοτικά. Αλλά τι γίνεται αν θα μπορούσατε να χειριστείτε αυτόν τον κόσμο σε ένα πολύ βασικό, γενετικό επίπεδο για να κάνετε κάτι που χρειάζεστε; Ο προγραμματισμός ενός κυττάρου για την παραγωγή ενός φαρμάκου, η παραγωγή ενέργειας ή η επίθεση ενός παθογόνου στο σώμα φαίνεται σαν το υλικό της επιστημονικής φαντασίας, αλλά αυτό υπόσχεται ο αναδυόμενος τομέας της συνθετικής βιολογίας.
σχετικό περιεχόμενο
- Η μηχανική ζύμη θα μπορούσε να ανοίξει μια DIY Painkiller Market
- Θα μπορούσε το Panda Poop να είναι το μυστικό για πιο αποδοτικό βιοκαύσιμο;
- Ζυμομύκητες του Southern Wild
- Big Brew-ha-ha: Οι επιστήμονες ανακαλύπτουν την άγρια ζύμη του Lager
Σε ένα πολύ βασικό επίπεδο, η συνθετική βιολογία είναι σαν να οικοδομείται μια σύνθετη δομή από τη Legos. Ακριβώς όπως ο μηχανικός του Lego πρέπει να καταλάβει πώς όλα τα μικρά μπλοκ ταιριάζουν μαζί, οι επιστήμονες πρέπει να καταλάβουν ακριβώς ποια γενετικά στοιχεία χρειάζονται και πώς αυτά τα στοιχεία ταιριάζουν μαζί για να οικοδομήσουν αυτές τις βιολογικές δομές, είτε είναι ένα γονίδιο, ένα μονοπάτι που περιλαμβάνει μερικά γονίδια, ή ακόμα και ένα πλήρες χρωμόσωμα - μια δομή που περιέχει εκατοντάδες γονίδια.
Τα τελευταία επτά χρόνια, μια διεθνής ομάδα ερευνητών έχει υπολογίσει πώς να κατασκευάσει ένα χρωμόσωμα ζύμης από το έδαφος. Τώρα, έχουν χτίσει με επιτυχία ένα και την ενσωμάτωσε σε ζωντανό κύτταρο ζύμης. Το έργο τους, που δημοσιεύθηκε σήμερα στην επιστήμη, σηματοδοτεί μια σημαντική πρόοδο στον τομέα της συνθετικής βιολογίας και ένα επιφυλακτικό βήμα προς την ικανότητα δημιουργίας γονιδιωμάτων σχεδιαστών για φυτά και ζώα.
"Είναι το πιο εκτεταμένο μετασχηματισμένο χρωμόσωμα που κατασκευάστηκε ποτέ, αλλά το ορόσημο που πραγματικά μετράει είναι η ενσωμάτωσή του σε ζωντανό κύτταρο ζύμης", δήλωσε σε δήλωσή του Jef Boeke, γενετιστής στο ιατρικό κέντρο Langone της NYU και συν-συγγραφέας της μελέτης.
Γιατί ζύμη; Για ένα πράγμα, οι άνθρωποι έχουν μια μακρά σχέση με τους μύκητες. Η ζύμη του ζυθοποιού ( Saccharomyces cerevisiae ) έχει χρησιμοποιηθεί για να κάνει μπύρα και ψήνει ψωμί από την αρχαιότητα. Σήμερα, ο τομέας της σύγχρονης βιομηχανικής βιοτεχνολογίας αρχίζει να χρησιμοποιεί μαγιά για να κάνει εμβόλια, φάρμακα και βιοκαύσιμα. Στο σύγχρονο βιολογικό εργαστήριο, η ζύμη είναι επίσης ένας πρότυπος οργανισμός επειδή τα κύτταρα της λειτουργούν παρόμοια με τα ανθρώπινα κύτταρα. Τόσο οι άνθρωποι όσο και η ζύμη είναι ευκαρυωτικοί, που σημαίνει ότι τα κύτταρα τους περιέχουν ένα κεντρικό κόμβο που ονομάζεται πυρήνας που αποθηκεύει το DNA σε σφραγισμένα χρωμοσώματα. Ως αποτέλεσμα, γνωρίζουμε πολλά για τη βιολογία της ζύμης και τη γενετική.
Ο γενετιστής Jef Boeke εξετάζει μια πλάκα ζυμομυκήτων που περιέχει μια συνθετική εκδοχή ενός συγκεκριμένου χρωμοσώματος (Φωτογραφία: NYU Langone) Για τους οργανισμούς χωρίς πυρήνα κυττάρων, η συνθετική βιολογία έχει ήδη παράγει ολόκληρα γονιδιώματα. Οι επιστήμονες έχουν σχεδιάσει και αναπαραγάγουν ιούς για περίπου μια δεκαετία. Το 2008, οι ερευνητές του Ινστιτούτου J. Craig Venter στο Maryland δημιούργησαν ένα πλήρες βακτηριακό γονιδίωμα και συνέχισαν να παράγουν τον πρώτο ζωντανό οργανισμό με ένα συνθετικό γονιδίωμα (ένα μονοκύτταρο βακτήριο). Αλλά ένα τέτοιο μικροβιακό γονιδίωμα περιέχει μόνο ένα χρωμόσωμα, ενώ οι άνθρωποι έχουν 23 ζεύγη και μαγιά ζυθοποιίας έχουν 16. Έχοντας τόσα πολλά γονίδια στο παιχνίδι μπορεί να σημαίνει πολύ περισσότερη μεταβλητότητα, έτσι ώστε η μικροαλλαγή ενός γονιδίου θα μπορούσε να έχει εκτεταμένες συνέπειες σε όλο το γονιδίωμα.
Ένα από τα χρωμοσώματα της ζύμης, για παράδειγμα, περιέχει ένα γονίδιο για τον τύπο ζευγαρώματος ζυμομυκήτων (είδος ομοειδούς φύλου) το οποίο από μόνο του διέπει αρκετά άλλα γονίδια σε όλο το γονιδίωμα. Αυτό το έκανε ένα ελκυστικό σημείο εκκίνησης για τον Boeke και τους συναδέλφους του. Σε έναν υπολογιστή, σχεδίασαν αυτό που ήθελαν να μοιάσει η συνθετική εκδοχή του αυτού χρωμοσώματος. Στη συνέχεια, στο πανεπιστήμιο Johns Hopkins της Βαλτιμόρης, η ομάδα του Boeke χρειαζόταν DNA, οπότε άρχισε να προσελκύει τη βοήθεια των προπτυχιακών φοιτητών μέσω ενός μαθήματος "Build-A-Genome" το 2007. Οι σπουδαστές συνένωναν τα νουκλεοτίδια, τις ενώσεις που σχηματίζουν DNA, αποσπάσματα γενετικής αλληλουχίας ή "δομικά στοιχεία".
Για να κολλήσουν αυτά τα δομικά στοιχεία σε μεγαλύτερα "minichunks", οι ερευνητές χρησιμοποίησαν διαφορετικές επεξεργασίες ενζύμων και χρησιμοποίησαν ακόμη και τα μηχανήματα γενικής συναρμολόγησης της ζύμης. Τέλος, εκμεταλλεύτηκαν την τάση της ζύμης να ανασυνδυάσει κομμάτια DNA στο δικό της γονιδίωμα για να συναρμολογηθεί, να χτυπηθεί με κομμάτι. Τελικά, η ζύμη αντικατέστησε το αρχικό χρωμόσωμα που επιλέχθηκε με τη συνθετική έκδοση. Ο Boeke παρομοιάζει ολόκληρη τη διαδικασία με την οικοδόμηση ενός βιβλίου: ξεκινάτε κάνοντας λέξεις, κατόπιν παραγράφους, σελίδες, κεφάλαια και τελικά το ίδιο το βιβλίο.
Μόλις το έχτισαν, ο Boeke και οι συνεργάτες του ήθελαν να δοκιμάσουν τη λειτουργικότητα του συνθετικού χρωμοσώματος στα κύτταρα ζύμης. Οι ερευνητές σχεδίασαν το χρωμόσωμα να συμπεριλάβει ειδικούς δείκτες σε γονίδια που θεωρούνται μη βασικά - οι δείκτες σχεδιάστηκαν έτσι ώστε να μπορούν να ενεργοποιηθούν από ένα ένζυμο για να ανακατωθούν, να διαγραφούν ή να αναπαραχθούν γονίδια.
Η ομάδα έπειτα προκάλεσε τους δείκτες συστηματικά να πραγματοποιήσει πάνω από 50.000 αλλαγές στο συνθετικό χρωμόσωμα σε συγκεκριμένα σημεία της επιχείρησης με επικίνδυνο κωδικό επειδή τυχαίες αλλαγές θα μπορούσαν εύκολα να σκοτώσουν το κύτταρο ζύμης. "Είναι ένα πολύ διαδεδομένο χρωμόσωμα", λέει ο Boeke. Όταν άλλαξαν ή διαγράφουν γονίδια, ορισμένα κύτταρα αυξήθηκαν καλύτερα από άλλα σε ποικίλες καταστάσεις, αλλά όλα τα κύτταρα αυξήθηκαν.
Επιπλέον, ανεξάρτητα από το πώς οι ερευνητές τσίμπησαν τις συνθήκες ανάπτυξης, τα κύτταρα με το συνθετικό χρωμόσωμα έφεραν ακόμα τις αποικίες ζύμης. "Παρά τις αλλαγές αυτές, έχουμε μια μαγιά που μοιάζει με μαγιά, μυρίζει σαν μαγιά και κάνει το αλκοόλ σαν ζύμη, λέει ο Boeke." Δεν μπορούμε να το πούμε ξεχωριστά, και όμως είναι έτσι Αυτό σημαίνει ότι το γονιδίωμα ζύμης-τουλάχιστον τα τμήματα που οι ερευνητές προκάλεσαν να αλλάξουν- είναι εξαιρετικά ανθεκτικό και μπορεί να χειριστεί πολλή μετάλλαξη, ένα εύρημα που είναι αρκετά εντυπωσιακό από την άποψη της γενετικής μηχανικής.
Ένας χάρτης του χρωμοσωματικού ζυμομύκητα σχεδιαστών που χτίστηκε από τον Boeke και τους συναδέλφους του. (Εικόνα: Boeke κ.ά.) "Αυτό το έργο αναφέρει το πρώτο ευκαρυωτικό χρωμοσωμικό σχέδιο που έχει συντεθεί από το μηδέν, το οποίο είναι ένα σημαντικό βήμα προς την κατασκευή ενός ευκαρυωτικού γονιδιώματος σχεδιαστή. Ανοίγει τις πόρτες για την αντιμετώπιση πολλών επιστημονικών και τεχνικών ζητημάτων ", λέει ο Huimin Zhao, βιομοριακός μηχανικός στο Πανεπιστήμιο του Illinois στην Urbana-Champaign.
Για παράδειγμα, το συνθετικό χρωμόσωμα που κατασκευάζεται από την ομάδα του Boeke είναι 14% μικρότερο από το φυσιολογικό χρωμόσωμα που επιδίωξαν να αντιγράψουν. Λοιπόν, ποιο είναι το μικρότερο γονιδίωμα, θα χρειαζόταν να δημιουργηθεί ένα κύτταρο ζύμης; Με βάση τις μεθόδους που εφαρμόζονται εδώ, μπορούν να ξεκινήσουν να δοκιμάζουν αυτές τις ερωτήσεις στο εργαστήριο. Και παρόλο που τα ερευνητικά μονοπάτια αφθονούν, ο Boeke λέει ότι το επόμενο βήμα για την ομάδα του θα είναι να χρησιμοποιήσει αυτές τις τεχνικές για να συνθέσει ολόκληρο το γονιδίωμα ζύμης.
Μετά τη σύνθεση του γονιδιώματος, οι ερευνητές θα μπορούσαν θεωρητικά να χρησιμοποιήσουν τους δείκτες για να τσίμπησουν διαφορετικά γονίδια σε μεγαλύτερη κλίμακα. Αυτό θα μπορούσαν να τους επιτρέψουν προσαρμόζουν τα κύτταρα ζύμης με συνθετικά γονιδιώματα κατάλληλα για συγκεκριμένους σκοπούς.
Για παράδειγμα, ορισμένες εταιρείες βιοτεχνολογίας έχουν ήδη εισαγάγει γονίδια σε ταχέως αναδιπλασιαζόμενα κύτταρα ζυμομυκήτων για να παράγουν μεγάλες ποσότητες συνθετικής έκδοσης του φαρμάκου αρτεμισινίνης της ελονοσίας και η σχεδίαση ενός γονιδιώματος σχεδιαστή μπορεί να βελτιώσει τη διαδικασία παραγωγής. Πώς θα σχεδίαζε ένα γονιδίωμα σχεδιαστή να βελτιώσει τη διαδικασία παραγωγής; Ποια νέα είδη φαρμάκων θα μπορούσαν να γίνουν με ειδικά προσαρμοσμένη ζύμη; Ή σε λιγότερο αλτρουιστικό επίπεδο, ποια νέα είδη μπύρας; Είτε ψάχνετε να θεραπεύετε τις ανθρώπινες ασθένειες είτε απλά θέλετε μια ικανοποιητική κρύα στο τέλος της ημέρας, η συνθετική βιολογία είναι τώρα ένα βήμα πιο κοντά για να σας βοηθήσουμε.
