Naukowcy z England Medical Research Council Laboratory of Molecular Biology z powodzeniem stworzyli bakterie E. coli z DNA całkowicie ludzkim, stanowiąc kamień milowy w rozwijającej się dziedzinie biologii syntetycznej i torując drogę przyszłej innowacji opartej na tak zwanych bakteriach „projektantów” .
Według nowego badania opublikowanego w czasopiśmie Nature genom syntetyczny jest zdecydowanie największy w swoim rodzaju. Przeprojektowane DNA, będące wynikiem dwuletniej kampanii badawczej, składa się z czterech milionów segmentów - cztery razy więcej niż poprzedni rekordzista. Być może najbardziej imponujące, bakterie zawierają tylko 61 kodonów, w przeciwieństwie do 64 znalezionych u prawie wszystkich żywych stworzeń. Pomimo tej pozornej rozbieżności wydaje się, że syntetyczne bakterie działają podobnie jak normalne E. coli. Główne różnice, jak podaje Carl Zimmer z New York Times, to wolniejsze tempo wzrostu i dłuższa długość.
„Nie było całkowicie jasne, czy udało się stworzyć tak duży genom i czy można go tak bardzo zmienić”, współautor badania, Jason Chin, biolog z University of Cambridge, mówi Ian Sample Guardiana .
Ale jak Tom Ellis, dyrektor Centrum Biologii Syntetycznej w Imperial College London i recenzent badania, wyjaśnia Ryanowi Mandelbaumowi Gizmodo, wysiłki zespołu ostatecznie zakończyły się „tour de force” dla tej dziedziny: „Zsyntetyzowali, zbudowany i wykazał, że syntetyczny genom o długości 4 milionów par zasad może działać ”, mówi Ellis. „To więcej niż ktokolwiek wcześniej”.
Aby „przekodować” genom, naukowcy muszą zmanipulować 64 kodony lub trzyliterowe kombinacje cząsteczek DNA A, T, C i G - skrót od adeniny, tyminy, cytozyny i guaniny - które zasilają wszystkie żywe organizmy. Ponieważ każda z trzech pozycji w kodonie może pomieścić dowolną z czterech cząsteczek, istnieje 64 możliwych kombinacji (4 x 4 x 4). Te kombinacje z kolei odpowiadają określonym aminokwasom lub związkom organicznym, które budują białka niezbędne do życia. Na przykład TCA jest zgodny z seryną aminokwasu, podczas gdy AAG określa lizynę. TAA wyjaśnia Sharon Begley, że TAA działa jak swoisty znak stopu, sygnalizując organizmowi zaprzestanie dodawania aminokwasów do rozwijającego się białka.
Jest to kolejny haczyk dla tego już złożonego procesu: ponieważ z kodem genetycznym związanych jest tylko 20 aminokwasów, wiele kodonów może odpowiadać jednemu kwasowi. Na przykład seryna jest powiązana nie tylko z TCA, ale także z AGT, AGC, TCT, TCC i TCG. Jak pisze John Timmer Ars Technica, niedopasowanie liczby kodonów do aminokwasów sprawia, że 43 kodony są w dużej mierze obce. Chociaż komórki używają tych dodatkowych zestawów jako kodów stop, narzędzi regulacyjnych i bardziej wydajnych ścieżek w kierunku kodowania określonego białka, pozostaje faktem, że wiele z nich jest zbędnych.
Ustalenie, jak zbędne były te dodatkowe kodony, wymagało obszernych prób i błędów. Chin mówi Begleyowi: „Istnieje wiele możliwych sposobów przekodowania genomu, ale wiele z nich jest problematycznych: komórka umiera”.
Aby stworzyć udany syntetyczny genom, Chin i jego koledzy zastąpili każde wystąpienie kodonów serynowych TCG i TCA odpowiednio AGC i AGT. Zespół zastąpił również każdy kodon TAG, sygnalizujący zatrzymanie, TAA. Ostatecznie, jak zauważa Zimmer z New York Timesa, w rekodowanym DNA wykorzystano cztery kodony seryny zamiast czterech i dwa kodony stop zamiast trzech. Na szczęście naukowcy nie musieli wykonywać tej pracy ręcznie. Zamiast tego dokonali 18 214 zamienników, traktując kod E. coli jak ogromny plik tekstowy i wykonując funkcję wyszukiwania i zamiany.
Przeniesienie tego syntetycznego DNA do bakterii okazało się trudniejszym zadaniem. Biorąc pod uwagę długość i złożoność genomu, zespół nie był w stanie wprowadzić go do komórki za jednym razem; zamiast tego naukowcy podeszli do pracy etapami, starannie dzieląc genom na kawałki i przesadzając go stopniowo do żywych bakterii.
Osiągnięcia badaczy są dwojakie, mówi Chin w wywiadzie dla Antonio Regalado z MIT Technology Review . Przeprojektowany genom jest nie tylko „osiągnięciem technicznym”, ale także „mówi ci coś fundamentalnego o biologii i jak bardzo plastyczny jest kod genetyczny”.
Według próbki Guardian 's badanie może pomóc naukowcom w tworzeniu bakterii odpornych na wirusy wyposażonych do użytku w przemyśle biofarmaceutycznym; E. coli jest już wykorzystywane do wytwarzania insuliny i związków medycznych, które leczą raka, stwardnienie rozsiane, zawały serca i choroby oczu, ale dzięki niesyntetycznej podatności DNA na niektóre wirusy, produkcję można łatwo zatrzymać.
Kolejny kluczowy wpływ badań na aminokwasy. Jak pisze Roland Pease z BBC News, użycie 61 z 64 możliwych kodonów w genomie E. coli pozostawia trzy otwarte na przeprogramowanie, otwierając drzwi dla „nienaturalnych elementów budulcowych” zdolnych do wykonywania wcześniej niemożliwych funkcji.
Rozmawiając z Zimmerem, Finn Stirling, biolog biolog syntetyczny z Harvard Medical School, który nie był zaangażowany w nowe badania, podsumowuje: „Teoretycznie można przekodować wszystko”.
