Ihmiset ovat käyttäneet biologisesta maailmasta tietämäänsä tavaroiden laatimiseen vuosisatojen ajan - oluesta antibiootteihin. Mutta entä jos voisit manipuloida sitä maailmaa hyvin perustasolla, geneettisellä tasolla tehdä jotain mitä tarvitset? Solujen ohjelmointi lääkkeen tuottamiseksi, energian tuottamiseksi tai patogeenin hyökkäämiseksi kehossa tuntuu tieteiskirjallisuudesta, mutta synteettisen biologian uusi kenttä lupaa.
Asiaan liittyvä sisältö
- Suunniteltu hiiva voisi avata DIY-kipulääkemarkkinat
- Voisiko Panda Poop olla salaisuus tehokkaampaan biopolttoaineeseen?
- Etelävillin hiivat
- Big Brew-ha-ha: Tutkijat löytävät Lagerin villihiivan
Aivan perustasolla synteettinen biologia on kuin ikään kuin rakennetaan monimutkainen rakenne Legosista. Aivan kuten Lego-insinöörin on selvitettävä, kuinka kaikki pienet lohkot sopivat yhteen, tutkijoiden on selvitettävä tarkalleen, mitä geneettisiä elementtejä he tarvitsevat ja kuinka nämä elementit sopivat yhteen näiden biologisten rakenteiden rakentamiseksi, olipa kyse sitten geenistä, polusta, johon kuuluu muutama geeni tai jopa täysi kromosomi - rakenne, joka sisältää satoja geenejä.
Viimeisen seitsemän vuoden ajan kansainvälinen tutkijaryhmä on selvittänyt, miten hiivan kromosomi voidaan rakentaa alusta alkaen. Nyt he ovat onnistuneesti rakentaneet yhden ja integroineet sen elävään hiivasoluun. Heidän työnsä, joka julkaistiin tänään Science-julkaisussa, merkitsee merkittävää edistystä synteettisen biologian alalla - ja varovaista askelta kohti kykyä luoda suunnittelijagenomeja kasveille ja eläimille.
"Se on kaikkein laajimmin muutettu kromosomi, joka on koskaan rakennettu. Mutta tosiasiallisesti tärkeä virstanpylväs on sen integroiminen elävään hiivasoluun", Jef Boeke, NYU: n Langone Medical Centerin geneetikko ja tutkimuksen avustaja sanoi.
Miksi hiiva? Ensinnäkin ihmisillä on pitkä suhde sieniin. Panimohiivaa ( Saccharomyces cerevisiae ) on käytetty oluen valmistukseen ja leivontaan muinaisista ajoista lähtien. Nykyään moderni teollisen bioteknologian kenttä alkaa käyttää hiivaa rokotteiden, lääkkeiden ja biopolttoaineiden valmistukseen. Nykyaikaisessa biologialaboratoriossa hiiva on myös malli-organismi, koska sen solut toimivat samalla tavalla kuin ihmisen solut. Sekä ihmiset että hiiva ovat eukaryootteja, mikä tarkoittaa, että niiden solut sisältävät ytimen, jota kutsutaan ytimeksi, joka tallentaa DNA: ta tiukasti haavoitettuihin kromosomeihin. Tämän seurauksena tiedämme paljon hiivan biologiasta ja genetiikasta.
Geneetikko Jef Boeke tutkii hiivapesäkkeiden levyä, joka sisältää tietyn kromosomin synteettisen version (Kuva: NYU Langone) Organismeille, joilla ei ole solun ydintä, synteettinen biologia on jo tuottanut kokonaisia genomeja. Tutkijat ovat suunnitelleet ja toistaneet viruksia noin kymmenen vuoden ajan. Vuonna 2008 Marylandin J. Craig Venter -instituutin tutkijat rakensivat täydellisen bakteerigenomin ja ovat jatkaneet tuottamaan ensimmäisen elävän organismin, jolla on synteettinen genomi (yksisoluinen bakteeri). Mutta sellainen mikrobigenomi sisältää vain yhden kromosomin, kun taas ihmisillä on 23 paria ja panimohiivaa on 16. Niin monien geenien pelaaminen voi tarkoittaa paljon enemmän vaihtelua, niin että yhden geenin säätämisellä voi olla kauaskantoisia vaikutuksia genomiin.
Esimerkiksi yksi hiivan kromosomeista sisältää geenin hiivan pariutumistyypille (eräänlainen samanlainen sukupuoli), joka sinänsä hallitsee useita muita geenejä perimässä. Se teki siitä houkuttelevan lähtökohdan Boekelle ja hänen kollegoilleen. He suunnittelivat tietokoneella, mitä he halusivat, että heidän kromosomin synteettinen versio näyttäisi. Sitten Johns Hopkinsin yliopistossa Baltimoressa Boeken joukkue tarvitsi DNA: ta, joten hän aloitti opiskelemalla perustutkinto-opiskelijoiden apua ”Build-A-Genome” -kurssilla vuonna 2007. Opiskelijat ommelivat nukleotidit, yhdisteet, jotka muodostavat DNA-juosteet, tehdäkseen lyhyitä katkelmat geneettisestä sekvenssistä tai "rakennuspalikat".
Liimatakseen nämä rakennuspalikat suurempiin "minisirkkeisiin", tutkijat käyttivät erilaisia entsyymikäsittelyjä ja jopa hiivan omaa geneettistä kokoonpanokoneistoa. Lopuksi he käyttivät hyväksi hiivan taipumusta yhdistää DNA-kappaleita omaan genomiinsa kootakseen palasiksi. Lopulta hiiva korvasi valitun alkuperäisen kromosomin synteettisellä versiolla. Boeke vertaa koko prosessia kirjan rakentamiseen: aloitat tekemällä sanoja, sitten kappaleita, sivuja, lukuja ja lopulta itse kirjaa.
Kun he rakensivat sen, Boeke ja hänen kollegansa halusivat testata synteettisen kromosomin toimivuuden hiivasoluissa. Tutkijat suunnittelivat kromosomin sisällyttämään erityisiä markkereita geeneihin, joiden ajateltiin olevan merkityksettömiä - markkerit on suunniteltu siten, että entsyymi voi laukaista ne geenien sekoittamiseksi, poistamiseksi tai monistamiseksi.
Ryhmä laukaisi sitten merkit systemaattisesti tehdäkseen yli 50 000 muutosta synteettiseen kromosomiin koodin tietyissä kohdissa - riskialtista liiketoimintaa, koska satunnaiset muutokset voivat helposti tappaa hiivasolun. "Se on hyvin läpäisevästi muokattu kromosomi", sanoo Boeke. Kun he muuttivat tai poistivat geenejä, jotkut solut kasvoivat paremmin kuin toiset vaihtelevissa olosuhteissa, mutta kaikki solut kasvoivat.
Lisäksi, riippumatta siitä, kuinka tutkijat säästivät kasvuolosuhteita, solut, joissa oli synteettinen kromosomi, kutevat silti hiivapesäkkeitä. "Kaikista näistä muutoksista huolimatta meillä on itse asiassa hiiva, joka näyttää hiivalta, haisee kuin hiiva ja tekee alkoholista kuin hiiva, sanoo Boeke." Emme voi oikeasti erottaa toisistaan, ja silti se on niin. erilainen. "Tämä tarkoittaa, että hiivagenomi - ainakin tutkijan käynnistämät muutokset - on erittäin joustava ja pystyy käsittelemään paljon mutaatiota, havainto, joka on melko vaikuttava geenitekniikan näkökulmasta.
Kartta Boeken ja hänen kollegoidensa suunnittelusta hiivakromosomista. (Kuva: Boeke et ai.) ”Tämä työ raportoi ensimmäisestä suunnittelijan eukaryoottisesta kromosomista, joka on syntetisoitu tyhjästä, mikä on tärkeä askel kohti suunnittelijan eukaryoottisen perimän rakentamista. Se avaa ovet monien tieteellisten ja teknisten kysymysten käsittelemiseen ”, kertoo Illinoisin yliopiston Urbana-Champaignin biomolekulaarinen insinööri Huimin Zhao.
Esimerkiksi Boeken joukkueen tekemä synteettinen kromosomi on 14 prosenttia pienempi kuin normaali kromosomi, jonka he yrittivät kopioida. Joten mikä on pienin genomi, jota tarvitaan toimivan hiivasolun tekemiseen? Tässä käytettyjen menetelmien perusteella he voivat alkaa testata näitä kysymyksiä laboratoriossa. Ja vaikka tutkimusreittejä on runsaasti, Boeke sanoo, että seuraava askel hänen tiiminsä on käyttää näitä tekniikoita koko hiivagenomin syntetisoimiseksi.
Genomin syntetisoinnin jälkeen tutkijat voisivat teoriassa käyttää markkereita erilaisten geenien säätämiseen suuremmassa mittakaavassa. Tämä voisi antaa heille mahdollisuuden räätälöidä hiivasoluja synteettisillä genomilla, jotka soveltuvat erityisiin tarkoituksiin.
Esimerkiksi jotkut bioteknologiayritykset ovat jo lisänneet geenejä nopeasti replikoituviin hiivasoluihin tuottaakseen suuria määriä malarialääkeartemisiniinin synteettistä versiota, ja suunnittelijagenomin suunnittelu voisi parantaa valmistusprosessia. Kuinka suunnittelijagenomin suunnittelu parantaisi valmistusprosessia? Mitä uusia lääkkeitä voitaisiin valmistaa erityisesti räätälöityyn hiivaan? Tai vähemmän altruistisella tasolla, millaisia uusia oluita? Haluatpa hoitaa ihmisten sairauksia tai haluat vain tyydyttävän kylmän sairauden päivän päätteeksi, synteettinen biologia on nyt askel lähempänä auttaa sinua.
