Људи користе оно што знају о биолошком свету вековима како би правили ствари - од пива до антибиотика. Али, шта ако можете манипулирати тим светом на врло основном, генетском нивоу да бисте направили нешто што вам је потребно? Програмирање ћелије за производњу лека, стварање енергије или нападање патогена у телу изгледа као научна фантастика, али то обећава ново поље синтетске биологије.
Сличан садржај
- Дизајнирани квасац могао би отворити тржиште производа против болова против производа
- Може ли Панда Пооп бити тајна за ефикасније биогориво?
- Квасци јужне дивљине
- Биг Брев-ха-ха: Научници откривају Лагеров дивљи квасац
На врло основном нивоу, синтетичка биологија је некако као изградња сложене структуре од Легоса. Баш као што Лего инжењер мора схватити како се сви мали блокови спајају заједно, научници морају да схвате тачно који генетски елементи су им потребни и на који начин се ти елементи састављају да би изградили ове биолошке структуре, било да је то ген, пут који укључује неколико гена или чак пун хромозом - структура која садржи стотине гена.
Током последњих седам година међународни тим истраживача је смишљао како да конструише хромосом квасца из темеља. Сада су је успешно изградили и интегрисали у ћелију живог квасца. Њихов рад, објављен данас у Сциенцеу, означава значајан напредак на пољу синтетске биологије - и опрезан корак ка способности стварања дизајнерских генома за биљке и животиње.
"То је најопсежније измењени хромозом који је икада изграђен. Али врхунац који се заиста рачуна је интеграција у живу ћелију квасца", рекао је у изјави Јеф Боеке, генетичар из НИУ-овог Медицинског центра Лангоне и коаутор студије.
Зашто квас? Као прво, људи имају дугу везу са гљивицама. Пивски квас ( Саццхаромицес церевисиае ) од давнина се користи за прављење пива и печење хлеба. Данас модерна индустријска биотехнолошка област почиње да користи квасац за прављење вакцина, лекова и биогорива. У модерној лабораторији за биологију квас је такође модел организма јер његове ћелије функционишу слично као и људске ћелије. И људи и квасци су еукариоти, што значи да њихове ћелије садрже централно средиште звано језгро које складишти ДНК у чврсто намотане хромозоме. Као резултат тога, знамо много о биологији квасца и генетици.
Генетичар Јеф Боеке прегледава плочу колонија квасца која садржи синтетичку верзију специфичног хромозома (Фото: НИУ Лангоне) За организме без ћелијског језгра, синтетичка биологија је већ произвела читаве геноме. Научници су пројектовали и репродуцирали вирусе око деценију. 2008. године, истраживачи са Института Ј. Цраиг Вентер у Мериленду изградили су геном потпуне бактерије и наставили су да производе први живи организам са синтетичким геномом (једноцелична бактерија). Али такав микробни геном садржи само један хромозом, док га људи имају 23 пара и пивски квас има 16. Имати толико гена у игри може значити и много више варијабилности, тако да подешавање једног гена може имати далекосежне импликације на геном.
Један од хромозома квасца, на пример, садржи ген за тип парења квасца (врста сличног пола) који сам по себи управља неколико других гена у геному. То је Боекеу и његовим колегама учинило атрактивном полазишту. На рачунару су дизајнирали оно што желе да изгледа њихова синтетичка верзија овог хромозома. Тада је на Универзитету Јохнс Хопкинс у Балтимору, Боекеовом тиму био потребан ДНК, па је 2007. године почео да уписује помоћ студената додипломског студија путем курса „Буилд-А-Геноме“. Студенти су спајали нуклеотиде, једињења која формирају ДНК ланце, како би скратили исјечке генетског низа или „градивне блокове“.
Да би те грађевне блокове залепили у веће „миницхункс“, истраживачи су користили различите ензимске третмане, па чак и користили сопствену машину за генетско склапање квасаца. Најзад, искористили су тенденцију квасца да рекомбинује делове ДНК у сопствени геном како би их сакупили, спојили помоћу комадића. На крају је квасац заменио оригинални хромозом изабран синтетичком верзијом. Боеке упоређује читав процес стварања књиге: започињете с прављењем речи, затим одломака, страница, поглавља и на крају саме књиге.
Једном када су га изградили, Боеке и његове колеге желели су да тестирају функционалност синтетичког хромозома у ћелијама квасца. Истраживачи су дизајнирали хромозом тако да укључује посебне маркере на генима за које се сматра да су безначајни - маркери су направљени тако да их активира ензим за скенирање, брисање или умножавање гена.
Тим је затим систематски покренуо маркере да би извршио више од 50.000 промена на синтетичком хромозому у одређеним тачкама кода - ризичан посао јер случајне промене могу лако убити ћелију квасца. "То је врло прожето уређен хромозом", каже Боеке. Када су променили или избрисали гене, неке ћелије су расле боље од других у различитим условима, али све ћелије су расле.
Надаље, без обзира на то како су истраживачи прилагодили услове раста, ћелије са синтетичким хромосомом још увек су рађале колоније квасца. "Упркос свим тим променама, ми заправо имамо квасац који изгледа као квасац, мирише на квас и ствара алкохол као квасац, каже Боеке." Не можемо то заиста раставити, а ипак је тако различито. "То значи да је геном квасца - барем делови које су истраживачи покренули да промене - врло еластичан и може да поднесе много мутација, што је налаз прилично упечатљив из перспективе генетског инжењеринга.
Карта дизајнерског хромосома квасца који су изградили Боеке и његове колеге. (Слика: Боеке и др.) „Овај рад извештава о првом дизајнерском еукариотском хромозому који је синтетизован од нуле, што је важан корак ка изградњи дизајнерског еукариотског генома. То отвара врата за рјешавање многих научних и техничких питања “, каже Хуимин Зхао, инжињер биомолекуларне индустрије на Универзитету Иллиноис у Урбани-Цхампаигн.
На пример, синтетички хромозом који је направио Боекеов тим је 14 процената мањи од нормалног хромозома који су желели да умноже. Дакле, који је најмањи геном потребан да би направио функционалну ћелију квасца? На основу овде примењених метода, они могу да започну тестирање тих питања у лабораторији. И премда истраживачки путеви обилују, Боеке каже да ће сљедећи корак за његов тим бити кориштење тих техника за синтезу читавог генома квасца.
Након синтетизације генома, истраживачи би у теорији могли да користе маркере за подешавање различитих гена на скали већих. Ово могу им дозволити прилагодите ћелије квасца синтетичким генима погодним за посебне сврхе.
На пример, неке биотехнолошке фирме већ су уметнуле гене у ћелије квасца које се брзо умножавају да би произвеле велике количине синтетичке верзије лека против маларије артемисинин, а инжењеринг генома дизајнера могао би побољшати производни процес. Како би инжењеринг генома дизајнера побољшао процес производње? Које се нове врсте лекова могу направити са специјално прилагођеним квасцем? Или на мање алтруистичком нивоу какве нове врсте пива? Без обзира да ли желите да лечите људске болести или само желите да се прехладите на крају дана, синтетичка биологија је сада корак ближе вашем помагању.
