Oamenii folosesc ceea ce știu despre lumea biologică pentru a face lucruri de secole - de la bere la antibiotice. Dar ce se întâmplă dacă ai putea manipula acea lume la un nivel genetic, de bază, pentru a face ceva de care ai nevoie? Programarea unei celule pentru a produce un medicament, pentru a genera energie sau pentru a ataca un agent patogen în organism pare a fi chestii de ficțiune științifică, dar asta promite domeniul emergent al biologiei sintetice.
Continut Asemanator
- Drojdia inginerie ar putea deschide o piață de bricolaj pentru bricolaj
- Panda Poop ar putea fi secretul unui biocombustibil mai eficient?
- Drojdii din sudul sălbatic
- Big Brew-ha-ha: Oamenii de știință descoperă Drojdia sălbatică a lui Lager
La un nivel foarte de bază, biologia sintetică este de genul construirii unei structuri complexe din Legos. Așa cum inginerul Lego trebuie să-și dea seama cum se potrivesc toate micile blocuri, oamenii de știință trebuie să își dea seama exact de elementele genetice de care au nevoie și cum se potrivesc acele elemente pentru a construi aceste structuri biologice, fie că este vorba despre o genă, o cale care implică câteva gene. sau chiar un cromozom complet - o structură care conține sute de gene.
În ultimii șapte ani, o echipă internațională de cercetători a descoperit cum se construiește de la sol un cromozom de drojdie. Acum, au construit cu succes unul și l-au integrat într-o celulă de drojdie vie. Munca lor, publicată astăzi în Știință, marchează un avans semnificativ în domeniul biologiei sintetice - și un pas precaut spre abilitatea de a crea genomi de design pentru plante și animale.
"Este cel mai extins cromozom modificat vreodată. Dar reperele care contează într-adevăr este integrarea acestuia într-o celulă vie de drojdie", a spus Jef Boeke, genetician la Centrul Medical Langone din NYU și coautor al studiului într-un comunicat.
De ce drojdie? În primul rând, oamenii au o relație lungă cu ciupercile. Drojdia de bere ( Saccharomyces cerevisiae ) a fost folosită pentru a prepara bere și coace pâine încă din cele mai vechi timpuri. Astăzi, domeniul biotehnologiei industriale moderne începe să folosească drojdie pentru a face vaccinuri, medicamente și biocombustibili. În laboratorul de biologie modernă, drojdia este, de asemenea, un organism model, deoarece celulele sale funcționează similar cu celulele umane. Atât oamenii, cât și drojdia sunt eucariote, ceea ce înseamnă că celulele lor conțin un hub central numit nucleu care stochează ADN-ul în cromozomii răniți strâns. Drept urmare, știm multe despre biologia și genetica drojdiilor.
Geneticianul Jef Boeke examinează o placă de colonii de drojdie care conține o versiune sintetică a unui cromozom specific (Foto: NYU Langone) Pentru organismele fără nucleu celular, biologia sintetică a produs deja genomi întregi. Oamenii de știință au conceput și au reprodus virusuri de aproximativ un deceniu. În 2008, cercetătorii de la Institutul J. Craig Venter din Maryland au construit un genom complet bacterian și au continuat să producă primul organism viu cu un genom sintetic (o bacterie unicelulară). Dar un astfel de genom microbian conține doar un cromozom, în timp ce oamenii au 23 perechi și drojdie de bere au 16. Având atât de multe gene în joc poate însemna mult mai multă variabilitate, astfel încât modificarea unei gene ar putea avea implicații de-a lungul timpului în genom.
Unul dintre cromozomii drojdiei, de exemplu, conține o genă pentru tipul de împerechere a drojdiei (gen de gen similar) care, în sine, guvernează mai multe alte gene din genom. Aceasta a făcut un punct de plecare atractiv pentru Boeke și colegii săi. Pe un computer, au proiectat cum ar fi dorit să arate versiunea lor sintetică a acestui cromozom. Apoi, la Universitatea Johns Hopkins din Baltimore, echipa lui Boeke avea nevoie de ADN, așa că a început să solicite ajutorul studenților universitari printr-un curs „Build-A-Genome” în 2007. Studenții au cusut împreună nucleotide, compușii care formează fire ADN, pentru a face scurt fragmente de secvență genetică sau „blocuri de construcție”.
Pentru a lipi acele blocuri de construcții în „minichunks” mai mari, cercetătorii au folosit diferite tratamente enzimatice și chiar au folosit propriile mașini de asamblare genetică. În cele din urmă, au profitat de tendința drojdiei de a recombina bucăți de ADN în propriul genom de a le asambla, bucăți de bucăți. În cele din urmă, drojdia a înlocuit cromozomul inițial selectat cu versiunea sintetică. Boeke asociează întregul proces pentru construirea unei cărți: începeți prin a crea cuvinte, apoi paragrafe, pagini, capitole și, în final, cartea în sine.
După ce au construit-o, Boeke și colegii săi au dorit să testeze funcționalitatea cromozomului sintetic în celulele de drojdie. Cercetătorii au proiectat cromozomul pentru a include markeri speciali pe gene care sunt considerate neesențiale - markerii au fost proiectați astfel încât aceștia să poată fi declanșați de o enzimă pentru a scrima, a șterge sau a dubla genele.
Apoi, echipa a declanșat sistematic markerii pentru a face mai mult de 50.000 de modificări la cromozomul sintetic în anumite puncte din cod - afaceri riscante, deoarece modificările aleatorii ar putea ucide cu ușurință celula de drojdie. „Este un cromozom foarte editat”, spune Boeke. Când au schimbat sau șters genele, unele celule au crescut mai bine decât altele în condiții variate, dar toate celulele au crescut.
Mai mult, indiferent de modul în care cercetătorii au modificat condițiile de creștere, celulele cu cromozomul sintetic încă au creat colonii de drojdie. "În ciuda tuturor acestor schimbări, am obținut de fapt o drojdie care arată ca o drojdie, miroase a o drojdie și face alcool ca o drojdie, spune Boeke." Nu putem spune într-adevăr, și totuși este așa „Asta înseamnă că genomul drojdiei - cel puțin porțiunile pe care cercetătorii au declanșat să le schimbe - este foarte rezistent și poate face față multă mutație, o constatare care este destul de impresionantă din perspectiva ingineriei genetice.
O hartă a cromozomului de drojdie construit de Boeke și colegii săi. (Imagine: Boeke și colab.) „Această lucrare raportează primul cromozom eucariotic proiectant, care a fost sintetizat de la zero, ceea ce este un pas important către construirea unui genom eucariot designer. Deschide ușile pentru a rezolva multe întrebări științifice și tehnice ”, spune Huimin Zhao, un inginer biomolecular la Universitatea din Illinois, la Urbana-Champaign.
De exemplu, cromozomul sintetic realizat de echipa lui Boeke este cu 14% mai mic decât cromozomul normal pe care au căutat să îl dubleze. Deci, care este cel mai mic genom de care ar avea nevoie pentru a face o celulă de drojdie funcțională? Pe baza metodelor aplicate aici, ei pot începe testarea acestor întrebări în laborator. Și deși căile de cercetare abundă, Boeke spune că următorul pas pentru echipa sa va fi utilizarea acestor tehnici pentru a sintetiza întregul genom de drojdie.
După sintetizarea genomului, cercetătorii ar putea, teoretic, să folosească markerii pentru a regla diferite gene la o scară mai mare. Acest i-ar putea permite personalizați celulele de drojdie cu genomi sintetici potriviți pentru scopuri specifice.
De exemplu, unele firme de biotehnologie au introdus deja gene în celule de drojdie cu replicare rapidă pentru a produce cantități mari dintr-o versiune sintetică a artemisininei medicamentoase pentru malarie, iar ingineria unui genom proiectant ar putea îmbunătăți procesul de fabricație. Cum ar putea îmbunătăți procesul de fabricație? Ce tipuri de medicamente noi pot fi făcute cu drojdie special adaptată? Sau la un nivel mai puțin altruist, ce tipuri de beri noi? Indiferent dacă doriți să tratați bolile umane sau doriți doar o răceală satisfăcătoare la sfârșitul zilei, biologia sintetică este acum un pas mai aproape de a vă ajuta.
