Хората използват това, което знаят за биологичния свят, за да правят неща от векове - от бира до антибиотици. Но какво ще стане, ако можете да манипулирате този свят на много основно, генетично ниво, за да направите нещо, което ви е необходимо? Програмирането на клетка за производство на лекарство, генериране на енергия или атака на патоген в тялото изглежда като неща от научната фантастика, но това обещава появяващата се област на синтетичната биология.
Свързано съдържание
- Инженерните дрожди могат да отворят пазар за болкоуспокояващи продукти на сам
- Може ли Panda Poop да бъде тайната за по-ефективно биогориво?
- Дрожди на южната дива
- Big Brew-ha-ha: Учените откриват дивата мая на Lager
На съвсем основно ниво синтетичната биология е нещо като изграждането на сложна структура от Легос. Точно както инженерът на Lego трябва да разбере как всички малки блокове се вписват заедно, учените трябва да намерят точно кои генетични елементи се нуждаят и как тези елементи се съчетават за изграждането на тези биологични структури, независимо дали това е ген, път, включващ няколко гена или дори пълна хромозома - структура, която съдържа стотици гени.
През последните седем години международен екип от изследователи измисля как да конструира хромозома с дрожди от самото начало. Сега те успешно са изградили един и го интегрират в клетка за живи дрожди. Тяхната работа, публикувана днес в Science, отбелязва значителен напредък в областта на синтетичната биология и предпазлива стъпка към способността за създаване на дизайнерски геноми за растения и животни.
„Това е най-широко променената хромозома, която някога е била изградена. Но най-важният камък, който наистина се отчита, е интегрирането й в жива клетка с дрожди“, казва Джеф Бойк, генетик в Медицинския център на Лангон в Ню Йорк и съавтор на изследването.
Защо мая? От една страна, хората имат дълга връзка с гъбичките. Пивоварните дрожди ( Saccharomyces cerevisiae ) се използват за приготвяне на бира и печене на хляб от древни времена. Днес съвременната индустриална биотехнологична област започва да използва дрожди за направата на ваксини, лекарства и биогорива. В съвременната лаборатория по биология дрождите също са моделен организъм, тъй като клетките й функционират подобно на човешките клетки. И хората, и дрождите са еукариоти, което означава, че клетките им съдържат централен център, наречен ядро, който съхранява ДНК в плътно навити хромозоми. В резултат на това знаем много за биологията и генетиката на дрождите.
Генетикът Джеф Бойк изследва плака с колонии от дрожди, съдържаща синтетична версия на специфична хромозома (Снимка: NYU Langone) За организми без клетъчно ядро обаче синтетичната биология вече е произвела цели геноми. Учените разработват и възпроизвеждат вируси в продължение на около десетилетие. През 2008 г. изследователи от Института на J. Craig Venter в Мериленд изграждат пълен бактериален геном и продължават да произвеждат първия жив организъм със синтетичен геном (едноклетъчна бактерия). Но такъв микробен геном съдържа само една хромозома, докато хората имат 23 чифта и пивоварната мая има 16. Наличието на толкова много гени в игра може да означава много по-голяма вариабилност, така че настройването на един ген би могло да има далеч последствия за генома.
Една от хромозомите на дрождите например съдържа ген за тип чифтосване на дрожди (подобен на пол), който сам по себе си управлява няколко други гена в генома. Това го направи привлекателна отправна точка за Boeke и неговите колеги. На компютър те проектираха каквото искат да изглежда синтетичната им версия на тази хромозома. След това в университета на Джон Хопкинс в Балтимор, екипът на Boeke се нуждае от ДНК, така че той започна да привлича помощта на студенти чрез курс „Build-A-Genome” през 2007 г. Студентите зашиха нуклеотиди, съединенията, които образуват ДНК вериги, за да съкратят фрагменти от генетична последователност или "градивни елементи".
За да залепят тези строителни блокове в по-големи „миничупки“, изследователите използвали различни ензимни лечения и дори използвали собствената машина за генетичен сбор на дрождите. И накрая, те се възползваха от склонността на дрождите да рекомбинират парчета ДНК в собствения си геном, за да се съберат, парче от парче. В крайна сметка мая замени оригиналната хромозома, избрана със синтетичната версия. Boeke оприличава целия процес с изграждането на книга: вие започвате, като правите думи, след това абзаци, страници, глави и накрая самата книга.
След като го изградиха, Boeke и неговите колеги искаха да тестват функционалността на синтетичната хромозома в клетките с дрожди. Изследователите са проектирали хромозомата да включва специални маркери за гени, за които се смята, че са несъществени - маркерите са проектирани така, че да могат да бъдат задействани от ензим за кодиране, изтриване или дублиране на гени.
След това екипът задейства систематично маркерите, за да направи повече от 50 000 промени в синтетичната хромозома в конкретни точки от кода - рискован бизнес, тъй като случайните промени могат лесно да убият клетката на дрождите. „Това е много широко разпространена хромозома“, казва Бойк. Когато променят или изтриват гени, някои клетки растат по-добре от други при различни условия, но всички клетки растат.
Освен това, без значение как изследователите са преодолели условията на отглеждане, клетките със синтетичната хромозома все още пораждат колонии от дрожди. "Въпреки всички тези промени, ние всъщност имаме дрожди, които приличат на мая, миришат на мая и правят алкохол като мая, казва Boeke." Ние наистина не можем да го разберем, и въпреки това е така различно. "Това означава, че геномът на дрождите - поне частите, които изследователите са предизвикали да се променят - е силно еластичен и може да се справи с много мутации, като констатацията е доста впечатляваща от гледна точка на генното инженерство.
Карта на дизайнерската хромозома с дрожди, построена от Boeke и неговите колеги. (Изображение: Boeke и др.) „Тази работа съобщава за първата дизайнерска еукариотна хромозома, синтезирана от нулата, което е важна стъпка към изграждането на дизайнерски еукариотичен геном. Той отваря врати за справяне с много научни и технически въпроси “, казва Хуимин Джао, биомолекулен инженер от Университета на Илинойс в Урбана-Шампейн.
Например синтетичната хромозома, направена от екипа на Boeke, е с 14 процента по-малка от нормалната хромозома, която те се опитаха да дублират. И така, какъв е най-малкият геном, който ще трябва да направи функционираща клетка за дрожди? Въз основа на методите, приложени тук, те могат да започнат да тестват тези въпроси в лабораторията. И въпреки че изследователските пътища изобилстват, Бойк казва, че следващата стъпка за неговия екип ще бъде да използва тези техники за синтезиране на целия геном на дрожди.
След синтезирането на генома, изследователите биха могли на теория да използват маркерите за ощипване на различни гени в по-голяма степен. Това може да им позволи персонализирайте клетките от дрожди със синтетични геноми, подходящи за конкретни цели.
Например, някои фирми за биотехнологии вече са вмъкнали гени в бързо-репликиращи се клетки от дрожди, за да произвеждат големи количества синтетична версия на маларийния наркотик артемизинин, а създаването на дизайнерски геном би могло да подобри производствения процес. Как инженерното проектиране на геном би подобрило производствения процес? Какви нови видове лекарства могат да бъдат направени със специално пригодена мая? Или на по-малко алтруистично ниво какви нови видове бира? Независимо дали търсите да лекувате човешки болести или просто искате да удовлетворите настинка в края на деня, синтетичната биология вече е стъпка по-близо до това да ви помогне.
