Englannin lääketieteellisen tutkimusneuvoston molekyylibiologian laboratorion tutkijat ovat onnistuneesti luoneet E. colin bakteerit täysin ihmisen tekemällä DNA: lla, merkitsemällä virstanpylvään synteettisen biologian kasvavalla kentällä ja valmistaen tietä tuleville innovaatioille, jotka perustuvat ns. Suunnittelijabakteereihin. .
Nature- lehdessä julkaistun uuden tutkimuksen mukaan synteettinen genomi on selvästi suurin laatuaan. Kaksivuotisen tutkimuskampanjan tuote, uudelleensuunniteltu DNA koostuu neljästä miljoonasta segmentistä - neljä kertaa enemmän kuin edellinen levyrekisterin haltija. Ehkä kaikkein vaikuttavinta, bakteerit sisältävät vain 61 kodonia, toisin kuin 64: tä, jota löytyy melkein kaikista elävistä olennoista. Tästä näennäisestä eroavuudesta huolimatta synteettiset bakteerit näyttävät toimivan paljon kuin normaalit E. coli. Suurimmat erot, kuten The New York Timesin Carl Zimmer raportoi, ovat hitaampi kasvu ja pidempi pituus.
"Oli täysin epäselvää, oliko genomista mahdollista tehdä niin suuri ja onko mahdollista muuttaa sitä niin paljon", tutkimuksen avustaja Jason Chin, Cambridgen yliopiston biologi, kertoo Guardianin Ian-näytteestä.
Mutta kuten Tom Ellis, Lontoon Imperial College -synteettisen biologian keskuksen johtaja ja tutkimuksen arvioija, selittää Gizmodon Ryan Mandelbaumille, ryhmän pyrkimykset huipentuivat kentän “kiertuevoimiin”: “Ne syntetisoitiin, rakensi ja osoitti, että 4 miljoonan emäsparin synteettinen genomi voisi toimia ”, Ellis sanoo. "Se on enemmän kuin kukaan oli aikaisemmin tehnyt."
Genomin "koodaamiseksi" tutkijoiden on manipuloitava DNA-molekyylien A, T, C ja G 64 kodonia tai kolmen kirjaimen yhdistelmiä - lyhennettynä adeniiniin, tymiiniin, sytosiiniin ja guaniiniin -, jotka voimistavat kaikkia eläviä organismeja. Koska jokainen kodonin kolmesta sijainnista voi pitää mitä tahansa neljästä molekyylistä, on 64 mahdollista yhdistelmää (4 x 4 x 4). Nämä yhdistelmät puolestaan vastaavat spesifisiä aminohappoja tai orgaanisia yhdisteitä, jotka rakentavat elämän kannalta välttämättömiä proteiineja. Esimerkiksi TCA sopii yhteen aminohapon kanssa seriini, kun taas AAG määrittelee lysiinin. TAA toimii eräänlaisena pysäytysmerkkinä, joka osoittaa organismin lopettavan aminohappojen lisäämisen kehitysproteiiniin, STAT: n Sharon Begley selittää.
Tähän jo monimutkaiseen prosessiin liittyy toinen saalis: Koska geneettiseen koodiin liittyy vain 20 aminohappoa, useita kodoneja voi vastata yhdessä hapossa. Esimerkiksi seriini on linkitetty TCA: n lisäksi myös AGT: hen, AGC: hen, TCT: hen, TCC: hen ja TCG: hen. Kuten John Timmer kirjoittaa Ars Technica, kodonien lukumäärän ja aminohappojen välinen epäsuhta tekee 43 kodonista suurelta osin vieraan. Vaikka solut käyttävät näitä ylimääräisiä sarjoja lopetuskoodeina, säätelyvälineinä ja tehokkaampina reiteinä tietyn proteiinin koodaamiseen, tosiasia on, että monet ovat tarpeettomia.
Näiden ylimääräisten kodonien redundanssin määrittäminen vei laajan kokeilun ja virheen. Chin kertoo Begleylle: "Genomin koodaamiseksi on monia eri tapoja, mutta monet niistä ovat ongelmallisia: Solu kuolee."
Menestyvän synteettisen genomin luomiseksi Chin ja hänen kollegansa korvasivat kaikki seriinikoodonien TCG ja TCA esimerkit vastaavasti AGC: llä ja AGT: llä. Joukkue myös korvasi jokaisen TAG-kodonin, joka ilmoittaa pysähdyksestä, TAA: lla. Viime kädessä, The New York Timesin Zimmer toteaa, koodattu DNA käytti neljää seriini-kodonia mieluummin kuin neljä ja kahta stop-kodonia kolmen sijaan. Onneksi tutkijoiden ei tarvinnut suorittaa tätä työtä käsin. Sen sijaan he tekivät 18 214 korvaavaa käsittelyä E. coli -koodilla kuin valtavan tekstitiedoston ja suorittamalla haku ja korvaa -toiminnon.
Tämän synteettisen DNA: n siirtäminen bakteereihin osoittautui vaikeammaksi tehtäväksi. Genomin pituuden ja monimutkaisuuden vuoksi joukkue ei pystynyt tuomaan sitä soluun yhdellä yrityksellä; sen sijaan tutkijat lähestyivät työtä vaiheittain, huolellisesti hajottaen genomin paloiksi ja siirtämällä sen eläviin bakteereihin vähitellen.
Tutkijoiden saavutus on kaksinkertainen, Chin sanoo MIT Technology Review -lehden Antonio Regaladon haastattelussa. Uudelleen suunniteltu genomi ei ole vain "tekninen saavutus", vaan myös "kertoo sinulle jotain perustavaa laatua olevasta biologiasta ja kuinka muokattava geneettinen koodi todella on."
Guardianin näytteen mukaan tutkimus voisi auttaa tutkijoita luomaan virusresistenttejä bakteereja, jotka on varustettu käytettäväksi biofarmaseuttisessa teollisuudessa; E. colia käytetään jo valmistettaessa insuliinia ja lääketieteellisiä yhdisteitä, jotka hoitavat syöpää, multippeliskleroosia, sydänkohtauksia ja silmäsairauksia, mutta epäsynteettisen DNA: n herkkyyden vuoksi tietyille viruksille tuotanto voidaan helposti pysäyttää.
Toinen tutkimuksen keskeinen merkitys aminohapoille. Kuten BBC News'n Roland Pease kirjoittaa, E. colin genomin käyttö 61: stä 64: stä mahdollisesta kodonista jättää kolme avoinna uudelleenohjelmointia varten, avaamalla oven "luontaisille rakennuspalikoille", jotka pystyvät suorittamaan aiemmin mahdotonta toimintoa.
Puhuessaan Zimmerin kanssa, Finn Stirling, synteettinen biologi Harvardin lääketieteellisessä koulussa, joka ei ollut mukana uudessa tutkimuksessa, päättelee: "Teoriassa voit koodata mitä tahansa."
