Az emberek azt használják, amit tudnak a biológiai világról, hogy évszázadok óta készítsen dolgokat - a sörtől az antibiotikumokig. De mi lenne, ha manipulálná ezt a világot egy nagyon alapvető, genetikai szinten, hogy elkészítsen valamit, amire szüksége van? A sejt programozása gyógyszer előállítására, energia előállítására vagy a szervezetben lévő kórokozó támadására tűnik a tudományos fantasztikus cuccnak, ám ez a szintetikus biológia feltörekvő területe ígérete.
kapcsolodo tartalom
- A megtervezett élesztő megnyithatja a barkácscsináló készítményt
- Lehet a Panda Poop a hatékonyabb bioüzemanyag titka?
- A déli vad élesztői
- Big Brew-ha-ha: A tudósok fedezhetik fel Lager vad élesztőjét
Nagyon alapvetően a szintetikus biológia olyan, mint egy összetett szerkezet felépítése Legosból. Ahogyan a Lego mérnöknek kitalálnia kell, hogy az összes apró blokk hogyan illeszkedik egymáshoz, a tudósoknak pontosan meg kell határozniuk, hogy mely genetikai elemekre van szükségük, és hogy ezek az elemek miként illeszkednek ezeknek a biológiai struktúráknak a felépítéséhez, legyen szó akár egy génről, akár néhány génből álló útvonalról, vagy akár egy teljes kromoszóma - egy olyan struktúra, amely több száz gént tartalmaz.
Az elmúlt hét évben egy nemzetközi kutatócsoport rájött, hogyan lehet az élesztő kromoszómát felépíteni a földről. Sikeresen építettek egyet és integráltak egy élő élesztőcellába. Munkájuk, amelyet ma a Science közzétett, jelentős előrelépést jelez a szintetikus biológia területén - és óvatos lépést mutat a növények és állatok tervezői genomjainak létrehozása iránti képesség felé.
"Ez a legszélesebb körben megváltozott kromoszóma, amelyet valaha építettek. De a mérföldkő, amely valóban számít, integrálja azt egy élő élesztősejtbe" - nyilatkozta Jef Boeke, a NYU Langone Orvosi Központ genetikusa és a tanulmány társszerzője.
Miért élesztő? Először is, az embereknek hosszú kapcsolatuk van a gombákkal. A sörélesztőt ( Saccharomyces cerevisiae ) az ősi idők óta használják sör készítéséhez és kenyér sütéséhez. Ma a modern ipari biotechnológiai terület elkezdi élesztő használatát oltások, gyógyszerek és bioüzemanyagok előállításához. A modern biológiai laboratóriumban az élesztő is modellszervezet, mivel sejtjei hasonlóan működnek, mint az emberi sejtek. Mind az emberek, mind az élesztő eukarióták, vagyis sejtjeik tartalmaznak egy központi magot, úgynevezett magot, amely a DNS-t szorosan sebzett kromoszómákban tárolja. Ennek eredményeként sokat tudunk az élesztőbiológiáról és a genetikáról.
Jef Boeke genetikus egy tál élesztőcsaládot vizsgál meg, amely egy adott kromoszóma szintetikus változatát tartalmazza (Fotó: NYU Langone) A sejtmag nélküli szervezetek esetében azonban a szintetikus biológia már teljes genomot hozott létre. A tudósok körülbelül egy évtized óta tervezik és reprodukálják a vírusokat. 2008-ban a Maryland J. Craig Venter Intézet kutatói felépítették a teljes baktériumgenomot, és elkészítették az első szintetikus genommal rendelkező élő szervezetet (egysejtű baktérium). De egy ilyen mikrobiális genom csak egy kromoszómát tartalmaz, míg az embereknek 23 párnak és sörfőző élesztőnek van 16. Ha olyan sok gén van a játékban, akkor sokkal nagyobb variabilitást jelenthet, úgy, hogy egy gén hozzáigazítása messzemenő következményekkel járhat a genomban.
Az élesztő egyik kromoszómája például tartalmaz egy élesztő párzási típusú gént (egyfajta hasonló nem), amely önmagában számos más gént irányít a genomban. Ez vonzó kiindulási pontvá tette Boeke és kollégái számára. Egy számítógépen megtervezték, amit akartak, hogy ennek a kromoszómának a szintetikus változata megjelenjen. Aztán a Baltimore-i Johns Hopkins Egyetemen Boeke-csoportnak szüksége volt a DNS-re, így 2007-ben egy „Build-A-Genome” tanfolyamon kezdte el hallgatói segítség igénybevételét. A hallgatók összefűzték a nukleotidokat, a DNS-szálakat alkotó vegyületeket, hogy rövid genetikai szekvencia-részletek vagy "építőelemek".
Ezeket az építőelemeket nagyobb "minicsokkbe" ragasztva a kutatók különféle enzimkezeléseket alkalmaztak, sőt az élesztő saját genetikai összeállításának gépeit is felhasználták. Végül kihasználták az élesztő hajlamát arra, hogy a DNS darabjait a saját genomjába rekombinálja, hogy darabonként darabokra összegyűjtse. Végül az élesztő az eredeti kiválasztott kromoszómát a szintetikus változattal váltotta fel. Boeke az egész folyamatot egy könyv készítéséhez hasonlítja: először szavakkal, majd bekezdésekkel, oldalakkal, fejezetekkel és végül maga a könyvvel készíti.
Miután felépítették, Boeke és kollégái akarták kipróbálni a szintetikus kromoszóma működését az élesztősejtekben. A kutatók úgy tervezték, hogy a kromoszóma speciális markereket tartalmazzon a lényegtelennek tartott génekre - a markereket úgy tervezték meg, hogy egy enzim kiválthassa azokat a gének összekeverésére, törlésére vagy másolására.
A csapat ezután szisztematikusan kiváltotta a markereket, hogy a kód meghatározott pontjaiban több mint 50 000 változtatást végezzen a szintetikus kromoszómában - kockázatos üzlet, mivel a véletlenszerű változtatások könnyen megölhetik az élesztősejtet. "Ez egy nagyon áthatóan szerkesztett kromoszóma" - mondja Boeke. Amikor megváltoztattak vagy törölték a géneket, egyes sejtek jobban növekedtek, mint mások változatos körülmények között, de az összes sejt nőtt.
Továbbá, függetlenül attól, hogy a kutatók hogyan fejlesztették ki a növekedési feltételeket, a szintetikus kromoszómával rendelkező sejtek még mindig élesztő kolóniákat szültek. "Mindezen változások ellenére valójában van egy élesztő, amely úgy néz ki, mint egy élesztő, illatú, mint élesztő, és alkoholt készít, mint élesztő, mondja Boeke." Nem igazán tudjuk szétválasztani, és mégis így van. "" Ez azt jelenti, hogy az élesztő genom - legalábbis azok a részek, amelyeket a kutatók megváltoztattak - rendkívül ellenálló és sok mutációval képes kezelni, ez a megállapítás a géntechnológia szempontjából elég lenyűgöző.
Boeke és munkatársai által készített tervező élesztő kromoszóma térképe. (Kép: Boeke et al.) „Ez a munka az első tervezői eukarióta kromoszómát ismerteti, amelyet a semmiből szintetizáltak, ami fontos lépés a tervezői eukarióta genom felépítése felé. Ajtót nyit számos tudományos és műszaki kérdés megválaszolására ”- mondta Huimin Zhao, az Urbanói Champaign Illinois Egyetem biomolekuláris mérnöke.
Például a Boeke csapata által előállított szintetikus kromoszóma 14 százalékkal kisebb, mint a szokásos kromoszóma, amelyet megpróbáltak lemásolni. Tehát mi a legkisebb genom, amire szüksége lenne egy működőképes élesztősejt létrehozásához? Az itt alkalmazott módszerek alapján elkezdhetik ezeket a kérdéseket a laboratóriumban. És bár a kutatási útvonalak rengeteg, Boeke szerint a csapata következő lépése az lesz, hogy ezeket a technikákat használja az élesztő teljes genomjának szintetizálására.
A genom szintetizálása után a kutatók elméletileg a markereket használhatták a különböző gének nagymértékű finomítására. Ez megengedhetik nekik testreszabhatja az élesztősejteket specifikus célokra alkalmas szintetikus genomokkal.
Például néhány biotechnológiai cég már beillesztett géneket a gyorsan replikáló élesztősejtekbe, hogy nagy mennyiségben előállítsák a malária gyógyszer artemisinint, és a tervezői genom megtervezése javíthatja a gyártási folyamatot. Hogyan javíthatja a tervezői genom tervezése a gyártási folyamatot? Milyen új gyógyszereket lehet készíteni speciálisan testreszabott élesztővel? Vagy kevésbé altruista szinten milyen új sörök? Akár kezelni kívánja az emberi betegségeket, akár csak egy kielégítő hideget szeretne a nap végén, a szintetikus biológia most egy lépéssel közelebb áll a segítségnyújtáshoz.
