Az angliai Orvosi Kutatási Tanács Molekuláris Biológiai Laboratóriumának kutatói sikeresen létrehoztak E. coli baktériumokat teljes egészében emberi eredetű DNS-sel, mérföldkövet jelölve a szintetikus biológia növekvő területén, és előkészítve az utat az ún. „Tervező” baktériumokon alapuló innováció számára. .
A Nature folyóiratban megjelent új tanulmány szerint a szintetikus genom messze a legnagyobb a maga nemében. A kétéves kutatási kampány terméke, az átalakított DNS négymillió szegmensből áll, ami négyszer több, mint az előző rekordőr. Talán a leglenyűgözőbb, hogy a baktériumok mindössze 61 kodont tartalmaznak, szemben a szinte minden élőlényben található 64-vel. A látszólagos különbségek ellenére a szintetikus baktériumok úgy működnek, mint a normál E. coli. A fő különbségek, amint a The New York Times Carl Zimmer beszámol, lassabb növekedési ütem és hosszabb hosszúság.
"Teljesen nem volt világos, hogy lehetséges-e ilyen nagy genomot elkészíteni, és lehet-e annyira megváltoztatni" - mondta Jason Chin, a Cambridge-i Egyetem biológusának társszerzője, a Guardian Ian mintája.
De amint Tom Ellis, a londoni Imperial College szintetikus biológiai központjának igazgatója és a tanulmány áttekintõje elmagyarázza Gizmodo Ryan Mandelbaum-nak, a csapat erõfeszítései végül a terület „turn de force” -évé váltak: „Szintetizálták, megépítette és megmutatta, hogy egy 4 millió bázispáros szintetikus genom képes működni ”- mondja Ellis. "Ez több, mint bárki más korábban."
A genom „átkódolásához” a tudósoknak manipulálniuk kell az A, T, C és G DNS molekula 64 kodont vagy hárombetűs kombinációját - röviden az adenint, a timint, a citozint és a guanint -, amelyek minden élő szervezetet táplálkoznak. Mivel a kodon mindhárom pozíciója képes tartani a négy molekula bármelyikét, 64 lehetséges kombináció létezik (4 x 4 x 4). Ezek a kombinációk viszont megfelelnek bizonyos aminosavaknak vagy szerves vegyületeknek, amelyek az élethez szükséges fehérjéket építik fel. Például a TCA megfelel a szerin aminosavnak, míg az AAG a lizint határozza meg. A TAA egyfajta stop jelként szolgál, jelezve a szervezet számára, hogy hagyja abba az aminosavak hozzáadását egy fejlődő fehérjéhez - magyarázza a STAT Sharon Begley.
Van egy újabb fogás ehhez a már bonyolult folyamathoz: Mivel csak 20 aminosav kapcsolódik a genetikai kódhoz, több kodon felel meg egy savnak. Például a szerin nemcsak a TCA-val kapcsolódik, hanem az AGT-hez, AGC-hez, TCT-hez, TCC-hez és TCG-hez is. Ahogy John Timmer írja Az Ars Technica, a kodonok és az aminosavak közötti eltérés 43 kodont nagyrészt idegennek tesz. Noha a sejtek ezeket az extra készleteket stop kódokként, szabályozó eszközökként és hatékonyabb útvonalakon használják egy adott fehérje kódolása felé, továbbra is tény, hogy sokuk felesleges.
Annak meghatározása, hogy ezeknek az extra kodonoknak milyen redundánsok voltak, kiterjedt próba-és hibalehetőségeket igényelt. Chin azt mondja Begleynek: "Számos lehetséges módszer van a genom újrakódolására, de ezek közül sok probléma: a sejt meghal."
A sikeres szintetikus genom létrehozásához Chin és kollégái a TCG és a TCA szerin kodonok minden példányát AGC-vel, illetve AGT-vel helyettesítették. A csapat minden TAG kodont lecserélt TAA-val cserélt. Végül, a The New York Times Zimmer megjegyzi, az átkódolt DNS négy szerin kodon helyett négy és két stop kodon helyett három helyett használt. Szerencsére a tudósoknak nem kellett kézzel elvégezni ezt a munkát. Ehelyett elvégezték a 18 214 pótlást, az E. coli kódot óriási szövegfájlként kezelve, és keresési és csere funkciót hajtva végre.
Ennek a szintetikus DNSnek a baktériumokba történő átvitele nehezebb feladatnak bizonyult. Tekintettel a genom hosszára és összetettségére, a csapat egyetlen kísérlettel nem tudta beilleszteni egy cellába; ehelyett a tudósok szakaszosan megközelítették a munkát, gondosan bontva a genomot darabokra, és apránként átültetve azokat élő baktériumokba.
A kutatók eredménye kettős - mondja Chin az MIT Technology Review Antonio Regalado interjújában. Az átalakított genom nemcsak „technikai eredmény”, hanem „valami alapvető tudnivalót is mond a biológiáról és arról, hogy a genetikai kód valójában milyen formálható”.
A Guardian mintája szerint a kutatás segíthet a tudósoknak olyan vírusrezisztens baktériumok létrehozásában, amelyek felszerelve vannak a biofarmakon iparban történő felhasználásra; Az E. coli- t már felhasználják olyan rutin, sclerosis multiplex, szívroham és szembetegség kezelésére szolgáló inzulin és orvosi vegyületek előállítására, azonban a nem szintetikus DNS bizonyos vírusokra való érzékenységének köszönhetően a termelés könnyen leállítható.
A tanulmány egy másik kulcsfontosságú vonatkozása az aminosavakra. Ahogy a BBC News Roland Pease írja, az E. coli genomja a 64 lehetséges kodonból 61 felhasználásával hagyja nyitva háromot az átprogramozáshoz, kinyitva az ajtót a „természetellenes építőelemekhez”, amelyek képesek elvégezni a korábban lehetetlen funkciókat.
Beszélve Zimmerrel, Finn Stirlinggel, a Harvard Medical School szintetikus biológusával, aki nem vett részt az új kutatásban, arra a következtetésre jut:
