https://frosthead.com

Znanstveniki ustvarjajo bakterije E. Coli s popolnoma sintetičnim genomom

Raziskovalci iz angleškega laboratorija za molekularno biologijo Medicinskega raziskovalnega sveta so uspešno ustvarili bakterije E. coli s povsem človeško izdelano DNK, ki so zaznamovali mejnik na rastočem področju sintetične biologije in utirali pot prihodnjim inovacijam, ki temeljijo na tako imenovanih "oblikovalskih" bakterijah .

Glede na novo raziskavo, objavljeno v reviji Nature, je sintetični genom daleč največji te vrste. Prenovljeni DNK je bil del dvoletne raziskovalne kampanje, sestavljen iz štirih milijonov segmentov, kar je štirikrat več kot prejšnji rekorder. Morda najbolj impresivno je, da bakterije vsebujejo le 61 kodonov, v primerjavi s 64, ki jih najdemo v skoraj vseh živih bitjih. Kljub temu navideznemu neskladju se zdi, da sintetične bakterije delujejo podobno kot običajna E. coli. Carl Zimmer, kot poroča The New York Times 'Carl Zimmer, so glavne razlike v počasnejši rasti in daljši dolžini.

"Popolnoma ni jasno, ali je mogoče narediti genom tako velik in ali ga je mogoče toliko spremeniti, " je za Guardian Ian Sample povedal soavtor študije Jason Chin, biolog z univerze v Cambridgeu.

Toda kot Tom Ellis, direktor Centra za sintetično biologijo na Imperial College London in recenzent študije, pojasnjuje Gizmodo Ryan Mandelbaum, so prizadevanja ekipe na koncu dosegla vrhunsko "turnejo silo" za področje: "Sintetizirali so, zgrajena in pokazala, da lahko sintetični genom s 4 milijoni baz deluje, "pravi Ellis. "To je več kot kdo prej."

Za "rekodiranje" genoma morajo znanstveniki manipulirati s 64 kodoni ali tričrkovnimi kombinacijami molekul DNA A, T, C in G - kratkih za adenin, timin, citozin in gvanin - ki napajajo vse žive organizme. Ker lahko vsak od treh položajev v kodonu vsebuje katero koli od štirih molekul, je 64 možnih kombinacij (4 x 4 x 4). Te kombinacije pa se ujemajo s specifičnimi aminokislinami ali organskimi spojinami, ki tvorijo beljakovine, potrebne za življenje. TCA se na primer ujema z aminokislininim serinom, medtem ko AAG določa lizin. TAA deluje kot znak zaustavljanja, ki organizmu sporoča, da preneha z dodajanjem aminokislin v beljakovino v razvoju, pojasnjuje Sharon Begley za STAT.

Ta že tako zapleten postopek je še en ulov: ker je z genetskim kodom povezanih le 20 aminokislin, lahko več kodonov ustreza eni kislini. Serin je na primer povezan ne samo s TCA, ampak s AGT, AGC, TCT, TCC in TCG. Kot piše John Timmer Ars Technica zaradi neskladja števila kodonov v primerjavi z aminokislinami naredi 43 kodonov v veliki meri zunaj. Čeprav celice uporabljajo te dodatne naloge kot zaustavitvene kode, regulativna orodja in učinkovitejše poti do kodiranja določenega proteina, ostaja dejstvo, da je veliko odveč.

Določanje, kako odvečni so bili ti dodatni kodoni, je bilo veliko preizkušanja in napak. Chin pove Begleyju: "Obstaja veliko možnih načinov, kako lahko znova genom, vendar je veliko problematičnih: celica umre."

Da bi ustvaril uspešen sintetični genom, sta Chin in njegovi sodelavci zamenjali vsak primerek serinskih kodonov TCG in TCA z AGC oziroma AGT. Ekipa je tudi zamenjala vsak TAG kodon, ki signalizira zaustavitev, s TAA. Na koncu, ugotavlja Zimmer New York Timesa, je v kodirani DNK uporabljeni štirje serinski kodoni namesto štiri in dva stop kodona namesto treh. Na srečo znanstvenikom tega dela ni bilo treba dokončati ročno. Namesto tega so opravili 18.214 nadomestkov, tako da so kodo E. coli obravnavali kot ogromno besedilno datoteko in izvedli funkcijo iskanja in zamenjave.

Prenos te sintetične DNK v bakterije se je izkazal kot težja naloga. Glede na dolžino in kompleksnost genoma ga ekipa ni mogla vnesti v celico v enem poskusu; namesto tega so znanstveniki k delu pristopili po fazah in mučno prizadeli genom na koščke in ga po malem presadili v žive bakterije.

Čin je v intervjuju za Antonio Regalado z MIT Technology Review povedal Chin. Ne samo, da je prenovljeni genom "tehnični dosežek", ampak vam tudi "pove nekaj bistvenega o biologiji in o tem, kako grenko kodo je v resnici."

Po vzorcu Guardiana bi raziskave lahko pomagale znanstvenikom ustvariti bakterije, odporne proti virusom, opremljene za uporabo v biofarmacevtski industriji; E. coli se že uporablja za izdelavo inzulina in medicinskih spojin, ki zdravijo raka, multiplo sklerozo, srčni infarkt in očesne bolezni, toda zahvaljujoč dovzetnosti za nesintetično DNK za nekatere viruse lahko proizvodnjo zlahka zastanemo.

Drugi ključni vpliv študijskih središč na aminokisline. Kot piše Roland Pease BBC News, uporaba 61 od 64 možnih kodonov E. Coli pušča tri odprte za reprogramiranje in odpira vrata za "nenaravne gradnike", ki lahko opravljajo prej nemogoče funkcije.

Finn Stirling, sintetični biolog na Harvard Medical School, ki ni bil vključen v nove raziskave, zaključuje: "Teoretično bi lahko zbrali karkoli."

Znanstveniki ustvarjajo bakterije E. Coli s popolnoma sintetičnim genomom