Cambridgen tutkijat ovat luoneet ensimmäisen elämänmuodon, jolla on yksinkertaistettu geneettinen ohjeisto, haastaen perustavanlaatuiset biologiset periaatteet.
Sisällysluettelo
Miljardien vuosien ajan elämä maapallolla on noudattanut hämmästyttävän vakaata geneettistä koodia: 64 DNA-triplettia, joita kutsutaan kodoneiksi ja jotka määrittävät, miten aminohapot yhdistyvät proteiineiksi. Cambridgen laboratoriossa ryhmä tutkijoita onnistui kuitenkin kirjaimellisesti kirjoittamaan elämän säännöt uusiksi ja osoittamaan, että organismit voivat toimia myös yksinkertaisemmalla geneettisellä koodilla.
Ryhmä tutkijoita Cambridgen lääketieteellisen tutkimusneuvoston molekyylibiologian laboratoriosta (LMB) on kehittänyt muunnellun Escherichia coli -bakteerin, joka on nimetty Syn57:ksi ja joka toimii vain 57 geneettisellä kodonilla standardin 64 sijaan, jota käyttävät käytännössä kaikki tunnetut elävät organismit.
Toisin sanoen, he ovat luoneet bakteerin, jonka geneettinen koodi on huomattavasti tiivistetty ja joka toimii vähemmillä ohjeilla kuin mikään tunnettu elämänmuoto maapallolla, mikä haastaa yhden biologian perustavanlaatuisimmista periaatteista.
Tämän saavuttamiseksi tutkijoiden piti kirjoittaa bakteerin genomi kokonaan uudelleen ja tehdä yli 101 000 muutosta sen geneettisiin ohjeisiin.
”Se vaati valtavaa työtä”, sanoi Wesley Robertson, yksi LMB:n johtavista tutkijoista, New Scientist -lehden haastattelussa. ”Nykyisen tekniikan tasolla tämä on luultavasti tiivin koodi, jota voidaan käyttää elämässä”, hän lisäsi Interesting Engineering -lehden julkaisemissa kommenteissa.
Geneettinen redundanssi: avain kokeiluun
Tämän saavutuksen taustalla on elävien organismien proteiinisynteesin perustavanlaatuinen mekanismi. Geneettinen koodi käyttää kolmen kirjaimen DNA-sekvenssejä, joita kutsutaan kodoneiksi, osoittamaan, mitä aminohappoja on lisättävä proteiinien synteesissä tai milloin synteesi on lopetettava, koska proteiini on jo muodostunut.
Luonnon standardijärjestelmä käyttää 64 erilaista kodonia koodaamaan vain 20 aminohappoa ja pysäytysmerkkejä, mikä luo järjestelmään huomattavaa redundanssia. Poistamalla joitakin näistä päällekkäisistä kodoneista tutkijat voivat mahdollisesti vapauttaa tilaa genomissa uusien biokemiallisten toimintojen määrittelemiseksi.
Juuri tämä ylimääräisyys oli se porsaanreikä, jota tutkijat hyödynsivät. Syn57 kehitettiin poistamaan seitsemän ”tarpeetonta” kodonia – neljä seriinikodonia, kaksi alaniinikodonia ja yhden pysäytyskodonin – ja korvaamaan ne synonyymeillä kodoneilla, jotka suorittavat saman tehtävän.
Aikaisemmista projekteista poiketen tätä geeniä ei muokattu osissa, vaan se muokattiin kokonaan tietokoneella ja syntetisoitiin alusta alkaen.
CRISPR-Cas9-tekniikka: kuinka geeni voidaan kirjoittaa uudelleen alusta alkaen
Tätä varten tutkijat jakoivat genomin 38 synteettiseen DNA-fragmenttiin, joista kukin oli noin 100 000 emäksen pituinen. Sitten he kokoivat ne uREXER-työkalulla, joka on edistyksellinen työkalu, joka yhdistää CRISPR-Cas9-tekniikan virusentsyymeihin ja pystyy vaihtamaan DNA-fragmentteja yhdellä kertaa, kertoo Interesting Engineering.
Syn57:n luominen ei ollut pelkkä tietokonemallinnus. Tiimin piti testata työtään oikeilla bakteereilla varmistaakseen, että ne eivät aiheuta haitallisia muutoksia.
”Kävimme ehdottomasti läpi vaiheita, jolloin ajattelimme: ‘Onko tämä umpikuja, vai pystymmekö tähän?’, Robertson kertoi The New York Timesille.
Vaikka Syn57 kasvaa tällä hetkellä paljon hitaammin kuin tavalliset bakteerit, tutkijat uskovat voivansa nopeuttaa sen kasvua, jotta siitä tulisi kaupallisesti käyttökelpoisempi. ”Toivomme voivamme nopeuttaa kasvua, jotta siitä tulisi käyttökelpoisempi”, Robertson kertoi New Scientist -lehdelle.
Bioteknologiset sovellukset
Tämän teknologian kaupallinen potentiaali on merkittävä. Syn57:n jatkokehitys voi tehdä siitä täysin vastustuskykyisen virusinfektioille, mikä tarjoaisi tärkeän edun lääketieteessä, elintarvikkeissa ja kosmetiikassa käytettävien proteiinien teolliselle tuotannolle. Tämä johtuu siitä, että virusten replikaatio riippuu isännän standardista geneettisestä koodista, ja jos tämä koodi muuttuu, virusproteiinit syntetisoituvat virheellisesti.
Eroontunut yritys Constructive.Bio kehittää jo kaupallisia sovelluksia aiemman työn pohjalta, jossa dekoodattiin kolme kodonia Syn61-bakteerista.
Geenitekniikan tulevaisuus
Ehkä kaikkein kiehtovinta on mahdollisuus laajentaa elämän kemiallista repertuaaria. Lisämodifikaatioilla Syn57:ää voidaan käyttää proteiinien tuotantoon, jotka sisältävät jopa 27 erilaista aminohappoa, kun luonnolliset proteiinit sisältävät vain 20. Nämä synteettiset proteiinit ovat potentiaalisesti kykeneviä asioihin, jotka ovat tavallisten proteiinien ulottumattomissa.
”Syn57 tarjoaa enemmän mahdollisuuksia ei-kanonisten aminohappojen lisäämiseen, mikä avaa suuria mahdollisuuksia geneettisen koodin laajentamiselle”, tutkimusryhmä totesi lehdistötiedotteessa. ”Tämä antaa tutkijoille mahdollisuuden kehittää innovatiivisia synteettisiä ja makrosyklisiä polymeerejä.”
Muunnettu geneettinen koodi voi myös tehokkaasti steriloida geneettisesti muunnettuja bakteereja, ratkaisten ongelman muunnettujen geenien leviämisestä luonnollisessa ympäristössä. ”Näin voimme estää tiedon vuotamisen synteettisestä organismistamme”, Robertson selitti.
Tämä saavutus perustuu aiempaan työhön geneettisen koodin uudelleenmäärittelyssä. Vuonna 2019 sama tutkimusryhmä ilmoitti luoneensa Syn61:n, joka toi 18 000 muutosta E. coli -genomiin, mikä mahdollisti kolmen kodonin vapauttamisen. Nykyinen työ, joka on julkaistu Science-lehdessä, on rahoitettu UKRI:n, Euroopan tutkimusneuvoston, Wellcome Trustin ja muiden organisaatioiden toimesta.
