https://frosthead.com

Teadlased loovad kriimustustest pärmi kromosoomi. Järgmisena? Kujundaja genoomid

Inimesed on kraamide valmistamiseks sajandeid kasutanud seda, mida nad bioloogilisest maailmast teavad, õllest antibiootikumideni. Aga mis siis, kui saaksite selle maailmaga manipuleerida väga põhilisel, geneetilisel tasemel, et midagi vajalikust valmistada? Raku programmeerimine ravimi tootmiseks, energia genereerimiseks või patogeeni ründamiseks kehas tundub ulme värk, kuid just seda lubab sünteetilise bioloogia esilekerkiv valdkond.

Seotud sisu

  • Insenerpärm võiks avada DIY valuvaigistituru
  • Kas Panda Poop võiks olla efektiivsema biokütuse saladus?
  • Lõunametsiku pärmid
  • Suur pruul-ha-ha: teadlased avastavad Lageri metsiku pärmi

Kõige algtasemel on sünteetiline bioloogia omamoodi nagu keeruka struktuuri ehitamine Legosest. Nii nagu Lego insener peab välja mõtlema, kuidas kõik väikesed klotsid omavahel kokku sobivad, peavad teadlased välja mõtlema täpselt, milliseid geneetilisi elemente nad vajavad ja kuidas need elemendid sobivad nende bioloogiliste struktuuride ehitamiseks, olgu see siis geen, mõne geeniga rada või isegi täielik kromosoom - struktuur, mis sisaldab sadu geene.

Viimase seitsme aasta jooksul on rahvusvaheline teadlaste meeskond välja mõelnud, kuidas maapinnast pärmi kromosoomi konstrueerida. Nüüd on nad selle edukalt ehitanud ja integreerinud elavasse pärmirakku. Nende täna ajakirjas Science avaldatud töö tähistab märkimisväärset edasiminekut sünteetilise bioloogia valdkonnas - ettevaatlikku sammu taimede ja loomade kujundaja genoomi loomise võime suunas.

"See on kõige ulatuslikumalt muudetud kromosoom, mis eales ehitatud. Kuid verstapost, mis tegelikult loeb, on selle integreerimine elavasse pärmirakku, " ütles NYU Langone meditsiinikeskuse geneetik Jef Boeke ja uuringu kaasautor avalduses.

Miks pärm? Esiteks on inimestel seentega pikk suhe. Õllepärmi ( Saccharomyces cerevisiae ) on iidsetest aegadest kasutatud õlle valmistamiseks ja leiva küpsetamiseks. Täna hakkab moodne tööstuslik biotehnoloogia valdkond pärmi kasutama vaktsiinide, ravimite ja biokütuste valmistamiseks. Kaasaegses bioloogialaboris on pärm ka näidisorganism, kuna selle rakud toimivad sarnaselt inimese rakkudega. Nii inimesed kui pärm on eukarüootid, mis tähendab, et nende rakud sisaldavad keskset jaoturit, mida nimetatakse tuumaks, mis talletab DNA-d tihedalt haavatud kromosoomides. Selle tulemusel teame pärmibioloogia ja geneetika kohta palju.

Geneetik Jef Boeke uurib pärmi kolooniate plaati, mis sisaldab konkreetse kromosoomi sünteetilist versiooni Geneetik Jef Boeke uurib pärmi kolooniate plaati, mis sisaldab konkreetse kromosoomi sünteetilist versiooni (Foto: NYU Langone)

Rakutuumadeta organismide jaoks on sünteetiline bioloogia tootnud juba terveid genoome. Teadlased on viirusi projekteerinud ja paljundanud umbes kümme aastat. 2008. aastal ehitasid Marylandi J. Craigi Venteri instituudi teadlased täieliku bakteri genoomi ja on edasi tootnud esimest sünteetilise genoomiga elusorganismi (üherakulist bakterit). Kuid selline mikroobne genoom sisaldab ainult ühte kromosoomi, samas kui inimestel on 23 paari ja õlletehase pärmis on 16. Nii paljude geenide mängimine võib tähendada palju suuremat varieeruvust, näiteks ühe geeni kohandamisel võib olla genoomis kaugeleulatuv mõju.

Näiteks üks pärmi kromosoomidest sisaldab pärmi paaritumistüüpi geeni (omamoodi sugu), mis iseenesest reguleerib paljusid teisi geene kogu genoomis. See tegi sellest Boeke'i ja tema kolleegide jaoks atraktiivse lähtekoha. Arvutis kavandasid nad selle, mida nad tahtsid, et nende kromosoomi sünteetiline versioon välja näeks. Siis, Baltimore'i Johns Hopkinsi ülikoolis, vajas Boeke'i meeskond DNA-d, nii et ta asus 2007. aastal õppima bakalaureuseõppe üliõpilasi “Build-A-genoomi” kursuse kaudu. Õpilased õmblesid nukleotiidid, DNA ahelad moodustavad ühendid lühikeseks. geneetilise järjestuse katkendid või "ehitusplokid".

Nende ehitusplokkide liimimiseks suuremateks "minitükkideks" kasutasid teadlased erinevaid ensüümtöötlusi ja kasutasid isegi pärmi enda geneetilist kogumismasinat. Lõpuks kasutasid nad ära pärmi kalduvust rekombineerida DNA tükid oma genoomi, et need tükikese kaupa kokku panna. Lõpuks asendas pärm valitud algse kromosoomi sünteetilise versiooniga. Boeke võrdleb kogu protsessi raamatu koostamisega: alustate sõnade, siis lõikude, lehtede, peatükkide ja lõpuks raamatu enda koostamisega.

Kui nad selle ehitasid, soovisid Boeke ja tema kolleegid testida sünteetilise kromosoomi funktsionaalsust pärmirakkudes. Teadlased kavandasid kromosoomis sisaldada spetsiaalseid markereid geenides, mida peetakse ebaolulisteks - markerid olid konstrueeritud nii, et ensüüm võib neid käivitada geenide skrammimiseks, kustutamiseks või dubleerimiseks.

Seejärel vallandas meeskond markerid süstemaatiliselt, et teha sünteetilises kromosoomis koodi konkreetsetes punktides rohkem kui 50 000 muudatust - riskantne äri, sest juhuslikud muudatused võivad pärmiraku kergesti tappa. "See on väga läbitungivalt redigeeritud kromosoom, " ütleb Boeke. Geenide muutmisel või kustutamisel kasvasid mõned rakud erinevates tingimustes paremini kui teised, kuid kõik rakud kasvasid.

Lisaks sellele, hoolimata sellest, kuidas teadlased kasvatustingimusi muutis, kudevad sünteetilise kromosoomiga rakud ikkagi pärmikolooniaid. "Hoolimata kõigist neist muudatustest, on meil tegelikult pärm, mis näeb välja nagu pärm, lõhnab nagu pärm ja muudab alkoholi nagu pärm, ütleb Boeke." Me ei saa seda tegelikult üksteisest eristada, ja ometi on see nii erinevad. "See tähendab, et pärmi genoom - vähemalt need osad, mille teadlased vallandasid muutuse - on väga vastupidavad ja saavad hakkama paljude mutatsioonidega, see on geenitehnoloogia vaatenurgast üsna muljetavaldav.

Pärmi kromosoomi kaart Boeke ja tema kolleegide ehitatud disainitud pärmi kromosoomi kaart. (Pilt: Boeke jt)

„Selles töös on juttu esimesest nullist sünteesitud eukarüootsest kromosoomist, mis on oluline samm disaineri eukarüootse genoomi loomise suunas. See avab uksed paljude teaduslike ja tehniliste küsimuste lahendamiseks, ”ütleb Urbana-Champaigni Illinoisi ülikooli biomolekulaarinsener Huimin Zhao.

Näiteks Boeke meeskonna tehtud sünteetiline kromosoom on 14 protsenti väiksem kui tavaline kromosoom, mida nad üritasid dubleerida. Mis on väikseim genoom, mida vajaks toimiva pärmiraku valmistamiseks? Siin rakendatud meetodite põhjal saavad nad hakata neid küsimusi laboris katsetama. Ja kuigi teadusuuringute võimalusi on palju, ütleb Boeke, et tema meeskonna järgmine samm on nende tehnikate kasutamine kogu pärmi genoomi sünteesimiseks.

Pärast genoomi sünteesimist võiksid teadlased teoreetiliselt kasutada markereid erinevate geenide paremaks muutmiseks. See võiks neid lubada kohandada pärmirakud sünteetiliste genoomidega, mis sobivad konkreetseks otstarbeks.

Näiteks on mõned biotehnoloogiaettevõtted juba geenid kiiresti replitseeruvatesse pärmirakkudesse sisestanud, et toota suurtes kogustes malaariaravimi artemisiniini sünteetilist versiooni, ja disaineri genoomi kavandamine võiks tootmisprotsessi parendada. Kuidas parandaks disainerigenoomi valmistamine tootmisprotsessi? Milliseid uusi ravimeid saaks valmistada spetsiaalselt kohandatud pärmiga? Või vähem altruistlikul tasandil, millised uut tüüpi õlled? Ükskõik, kas soovite ravida inimese haigusi või soovite lihtsalt päeva lõpuks rahuldavat külmetust, on sünteetiline bioloogia nüüd sammu lähemale teie abistamisele.

Teadlased loovad kriimustustest pärmi kromosoomi. Järgmisena? Kujundaja genoomid