Ερευνητές από το εργαστήριο μοριακής βιολογίας του Ιατρικού Ερευνητικού Συμβουλίου της Αγγλίας έχουν δημιουργήσει με επιτυχία βακτήρια Ε. Coli με DNA που παράγεται εξ ολοκλήρου από τον άνθρωπο, σηματοδοτώντας ένα ορόσημο στον τομέα της ανάπτυξης της συνθετικής βιολογίας και προετοιμάζοντας το έδαφος για μελλοντική καινοτομία που βασίζεται στα λεγόμενα βακτήρια "σχεδιαστή" .
Σύμφωνα με μια νέα μελέτη που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Nature, το συνθετικό γονιδίωμα είναι μακράν το μεγαλύτερο του είδους του. Το προϊόν μιας διετούς ερευνητικής εκστρατείας, το επανασχεδιασμένο DNA αποτελείται από τέσσερα εκατομμύρια τμήματα - τέσσερις φορές περισσότερα από τον προηγούμενο κάτοχο ρεκόρ. Ίσως πιο εντυπωσιακά, τα βακτήρια περιέχουν μόνο 61 κωδικόνια, σε αντίθεση με τα 64 που βρέθηκαν σε σχεδόν όλα τα ζωντανά πλάσματα. Παρά την φαινομενική αυτή ανισότητα, τα συνθετικά βακτήρια φαίνεται να λειτουργούν πολύ σαν τα κανονικά E.coli. Οι κυριότερες διαφορές, όπως αναφέρει ο Carl Zimmer, του The New York Times, είναι ο βραδύτερος ρυθμός ανάπτυξης και η μεγαλύτερη διάρκεια.
"Ήταν τελείως ασαφές αν ήταν δυνατόν να γίνει αυτό το μεγάλο γονιδίωμα και αν ήταν δυνατό να το αλλάξει τόσο πολύ", λέει ο συν-συγγραφέας Jason Chin, βιολόγος στο Πανεπιστήμιο του Cambridge, λέει ο Ian Sample του Guardian .
Αλλά όπως εξηγεί ο Tom Ellis, διευθυντής του Κέντρου Συνθετικής Βιολογίας στο Imperial College του Λονδίνου και κριτής της μελέτης στον Ryan Mandelbaum του Gizmodo, οι προσπάθειες της ομάδας τελικά κατέληξαν σε μια "tour de force" για το πεδίο: "Συντέθηκαν, χτίστηκε και έδειξε ότι ένα συνθετικό γονιδίωμα 4 εκατομμυρίων ζευγαριών βάσεων θα μπορούσε να λειτουργήσει, "λέει ο Ellis. "Είναι περισσότερο από ό, τι κανείς είχε κάνει πριν."
Για να "αναδημιουργήσουν" ένα γονιδίωμα, οι επιστήμονες πρέπει να χειριστούν τα 64 κωδικόνια ή συνδυασμούς τριών γραμμάτων των μορίων Α, Τ, C και G-short για αδενίνη, θυμίνη, κυτοσίνη και γουανίνη - που τροφοδοτούν όλους τους ζώντες οργανισμούς. Δεδομένου ότι κάθε μια από τις τρεις θέσεις σε ένα κωδικόνιο μπορεί να κρατήσει οποιοδήποτε από τα τέσσερα μόρια, υπάρχουν 64 συνολικά δυνατοί συνδυασμοί (4x4x4). Αυτοί οι συνδυασμοί, με τη σειρά τους, αντιστοιχούν σε συγκεκριμένα αμινοξέα ή οργανικές ενώσεις που κατασκευάζουν τις πρωτεΐνες που είναι απαραίτητες για τη ζωή. Η TCA, για παράδειγμα, ταιριάζει με την σερίνη αμινοξέων, ενώ η AAG καθορίζει τη λυσίνη. Η ΤΑΑ ενεργεί ως σημάδι σταματήματος, σηματοδοτώντας τον οργανισμό να σταματήσει να προσθέτει αμινοξέα σε μια αναπτυσσόμενη πρωτεΐνη, εξηγεί ο Sharon Begley του STAT.
Υπάρχει μια άλλη πικρία σε αυτή την ήδη περίπλοκη διαδικασία: Δεδομένου ότι υπάρχουν μόνο 20 αμινοξέα που συνδέονται με τον γενετικό κώδικα, πολλά κωδικόνια μπορούν να αντιστοιχούν με ένα οξύ. Η σερίνη, για παράδειγμα, συνδέεται όχι μόνο με TCA, αλλά AGT, AGC, TCT, TCC και TCG. Όπως γράφει ο John Timmer για Η Ars Technica, η αναντιστοιχία στον αριθμό των κωδικονίων έναντι των αμινοξέων, κάνει τα 43 κωδικόνια σε μεγάλο βαθμό εξωγενή. Αν και τα κύτταρα χρησιμοποιούν αυτά τα έξτρα σύνολα ως κωδικούς στάσης, ρυθμιστικά εργαλεία και πιο αποτελεσματικές οδούς προς την κωδικοποίηση μιας συγκεκριμένης πρωτεΐνης, το γεγονός παραμένει ότι πολλοί είναι περιττοί.
Καθορίζοντας πόσο πλεονάζονταν αυτά τα επιπλέον κωδικόνια πήραν εκτενή δοκιμή και λάθος. Ο Chin λέει στον Begley: "Υπάρχουν πολλοί τρόποι με τους οποίους μπορείτε να αναδημιουργήσετε ένα γονιδίωμα, αλλά πολλοί από αυτούς είναι προβληματικοί: το κύτταρο πεθαίνει."
Για να δημιουργηθεί το επιτυχημένο συνθετικό γονιδίωμα, ο Chin και οι συνεργάτες του αντικατέστησαν κάθε περίπτωση των κωδικώνων σερίνης TCG και TCA με AGC και AGT αντίστοιχα. Η ομάδα αντικατέστησε επίσης κάθε κωδικόνιο TAG, σηματοδοτώντας μια στάση, με την ΤΑΑ. Τελικά, σημειώνει ο Zimmer του The New York Times, το ανακτημένο DNA χρησιμοποίησε τέσσερα κωδικώνια σερίνης αντί για τέσσερα και δύο κωδικόνια σταματήματος αντί για τρία. Ευτυχώς, οι επιστήμονες δεν χρειάστηκε να ολοκληρώσουν αυτό το έργο με το χέρι. Αντ 'αυτού, έκαναν τις 18.214 αντικαταστάσεις αντιμετωπίζοντας τον κώδικα E. coli σαν ένα τεράστιο αρχείο κειμένου και εκτελώντας μια λειτουργία αναζήτησης και αντικατάστασης.
Η μεταφορά αυτού του συνθετικού DNA στα βακτήρια αποδείχθηκε πιο δύσκολη. Δεδομένου του μήκους και της πολυπλοκότητας του γονιδιώματος, η ομάδα δεν μπόρεσε να την εισαγάγει σε μια κυψέλη σε μια προσπάθεια. Αντίθετα, οι επιστήμονες προσέγγισαν τη δουλειά σταδιακά, σπάζοντας με προσοχή το γονιδίωμα σε τεμάχια και μεταφύτευσαν το σε ζωντανά βακτήρια σιγά σιγά.
Το επίτευγμα των ερευνητών είναι διττό, λέει ο Chin σε συνέντευξή του στον Antonio Regalado του MIT Technology Review . Όχι μόνο το επανασχεδιασμένο γονιδίωμα είναι "τεχνικό επίτευγμα", αλλά επίσης "σας λέει κάτι θεμελιώδες για τη βιολογία και πόσο ελατό είναι ο γενετικός κώδικας".
Σύμφωνα με το δείγμα του Guardian, η έρευνα θα μπορούσε να βοηθήσει τους επιστήμονες να δημιουργήσουν ανθεκτικά στα ιό βακτηρίδια που είναι εξοπλισμένα για χρήση στη βιοφαρμακευτική βιομηχανία. Το E. coli χρησιμοποιείται ήδη για να παράγει ινσουλίνη και ιατρικές ενώσεις που θεραπεύουν τον καρκίνο, τη σκλήρυνση κατά πλάκας, τις καρδιακές προσβολές και την ασθένεια των ματιών, αλλά χάρη στη μη συνθετική επιδεκτικότητα του DNA σε ορισμένους ιούς, η παραγωγή μπορεί εύκολα να σταματήσει.
Μια άλλη βασική συνέπεια της μελέτης είναι τα αμινοξέα. Όπως γράφει το Roland Pease του BBC News, η χρήση του γονιδιώματος Ε. Coli σε 61 από τα 64 πιθανά κωδικόνια αφήνει τρία ανοικτά για επαναπρογραμματισμό, ανοίγοντας την πόρτα για "αφύσικα δομικά στοιχεία" ικανά να εκτελούν παλαιότερα αδύνατες λειτουργίες.
Μιλώντας με τον Zimmer, ο Finn Stirling, ένας συνθετικός βιολόγος στην Ιατρική Σχολή του Χάρβαρντ, ο οποίος δεν συμμετείχε στη νέα έρευνα, καταλήγει στο συμπέρασμα: «Θεωρητικά, θα μπορούσατε να επανακαθορίσετε οτιδήποτε».
