Inglismaa Meditsiiniuuringute Nõukogu molekulaarbioloogia labori teadlased on edukalt loonud täielikult inimese loodud DNA-ga E. coli bakterid, tähistades verstaposti sünteetilise bioloogia kasvavas valdkonnas ja sillutades teed tulevastele uuendustele, mis põhinevad niinimetatud „disaineri” bakteritel .
Ajakirjas Nature avaldatud uue uuringu kohaselt on sünteetiline genoom vaieldamatult suurim omataoline. Kaheaastase uurimiskampaania toode, ümber kujundatud DNA koosneb neljast miljonist segmendist - neli korda rohkem kui eelmine rekordiomanik. Ehk kõige muljetavaldavam on see, et bakterid sisaldavad vaid 61 koodonit, vastupidiselt 64-le, mida leidub peaaegu kõigis elusolendites. Vaatamata sellele näilisele erinevusele näivad sünteetilised bakterid toimivat sarnaselt tavaliste E. coli-ga. Peamised erinevused, nagu The New York Timesi esindaja Carl Zimmer teatas, on aeglasem kasvutempo ja pikem pikkus.
"Oli täiesti ebaselge, kas genoomi oli võimalik nii suureks teha ja kas seda oli võimalik nii palju muuta, " rääkis uuringu kaasautor Jason Chin, Cambridge'i ülikooli bioloog, Guardiani Ian Proovist.
Ent nagu Londoni Imperial College'i sünteetilise bioloogia keskuse direktor ja uuringu ülevaataja Tom Ellis selgitab Gizmodo Ryan Mandelbaumile, kulmineerusid meeskonna jõupingutused lõpuks valdkonna turismireisile: “Nad sünteesisid, ehitas ja näitas, et 4 miljoni aluspaari sünteetiline genoom võiks toimida, ”räägib Ellis. "See on rohkem kui keegi varem oli teinud."
Geenivaramu "kodeerimiseks" peavad teadlased manipuleerima kõigi elusorganismide jõul tegutsevate DNA molekulide A, T, C ja G 64 koodoniga ehk kolmetäheliste kombinatsioonidega - lühendatult adeniini, tümiinile, tsütosiinile ja guaniinile. Kuna koodoni kõik kolm positsiooni võivad hoida ükskõik millist neljast molekulist, on kokku 64 võimalikku kombinatsiooni (4 x 4 x 4). Need kombinatsioonid vastavad omakorda konkreetsetele aminohapetele või orgaanilistele ühenditele, mis ehitavad eluks vajalikke valke. Näiteks TCA sobib kokku aminohappega seriin, samas kui AAG määratleb lüsiini. TAA toimib omamoodi stopp-märgina, andes organismile märku aminohapete lisamisest arenevale valgule, selgitab STATi esindaja Sharon Begley.
Sellele niigi keerukale protsessile on veel üks saak: Kuna geneetilise koodiga on seotud vaid 20 aminohapet, võib ühe happega vastata mitu koodonit. Näiteks seriin on seotud mitte ainult TCA, vaid ka AGT, AGC, TCT, TCC ja TCG-ga. Nagu John Timmer kirjutab Ars Technica, koodonite arvu ja aminohapete mittevastavus muudab 43 koodoni suuresti võõraks. Ehkki rakud kasutavad neid lisakomplekte stoppkoodidena, regulatiivsete tööriistadena ja tõhusamalt konkreetse valgu kodeerimise suunas, on fakt, et paljud neist on ülearused.
Nende lisakoodonite ülearuste kindlaksmääramine võttis põhjaliku katse ja eksituse. Chin räägib Begley'le: "Genoomi kodeerimiseks on palju võimalusi, kuid suur osa neist on problemaatiline: rakk sureb."
Eduka sünteetilise genoomi loomiseks asendasid Chin ja tema kolleegid kõik seriinikoodonite TCG ja TCA eksemplari vastavalt AGC ja AGT. Meeskond asendas ka kõik TAG-koodonid TAA-ga, andes peatuse. The New York Timesi Zimmer märgib, et kodeeritud DNA kasutas pigem nelja seriini koodonit kui nelja ja kahte stoppkoodonit kolme asemel. Õnneks ei pidanud teadlased seda tööd käsitsi lõpule viima. Selle asemel tegid nad 18 214 asendamist, käsitledes E. coli koodi nagu tohutut tekstifaili ja täites otsingu ja asendamise funktsiooni.
Selle sünteetilise DNA ülekandmine bakteritesse osutus keerukamaks ülesandeks. Arvestades genoomi pikkust ja keerukust, ei suutnud meeskond seda ühe katsega lahtrisse tutvustada; selle asemel lähenesid teadlased sellele tööle järk-järgult, vaevates genoomi tükkideks ja siirdades seda elusatesse bakteritesse vähehaaval.
Teadlaste saavutus on kahetine, väidab Chin intervjuus MIT Technology Review ajakirjale Antonio Regalado. Ümberkujundatud genoom pole mitte ainult „tehniline saavutus”, vaid see „ütleb teile ka midagi bioloogilises mõttes olulist ja seda, kui vormitav on geneetiline kood tegelikult”.
Guardiani proovi kohaselt võiksid teadusuuringud aidata teadlastel luua viirusekindlaid baktereid, mis on varustatud kasutamiseks biofarmaatsiatööstuses; E. coli kasutatakse juba vähi, sclerosis multiplex'i, südameatakkide ja silmahaiguste raviks kasutatavate insuliinide ja meditsiiniliste ühendite valmistamiseks, kuid tänu mittesünteetilise DNA vastuvõtlikkusele teatud viiruste suhtes saab produktsiooni hõlpsalt seisata.
Veel üks uuringukeskuste oluline tähendus aminohapetele. Nagu kirjutab BBC News "Roland Pease", jätab E. coli genoom 64-st võimalikust koodonist 61 kasutamisel kolm ümberplaneerimiseks avatuks, avades ukse "ebaloomulike ehitusplokkide" jaoks, mis on võimelised täitma varem võimatuid funktsioone.
Harvardi meditsiinikooli sünteetilise bioloogi Finn Stirlingi, kes uues uurimistöös ei osalenud, järeldusega Zimmer, järeldab: "Teoreetiliselt võiksite midagi kodeerida."
