Ensimmäistä kertaa tutkijaryhmä on kirjoittanut elävän olennon geneettisen koodin alusta loppuun ja saanut sen toimimaan yksinkertaistetulla, mutta täysin toimivalla ”DNA-aakkosilla”. Sen nimi on Syn57, ja se elää siten erillisessä biologisessa maailmassa, jolla ei ole yhteyttä elämän luonnolliseen evoluutioon.
Sisällysluettelo
Ensimmäinen kysymys, joka on välttämätöntä esittää ennen tämän edistysaskeleen täydellistä ymmärtämistä, on: mitä tarkoitamme ”elämällä”? Biologiassa elävä solu on ennen kaikkea järjestelmä, joka kykenee ylläpitämään itseään (homeostaasi), lisääntymään ja muuttamaan ainetta energiaksi ja toiminnallisiksi rakenteiksi (aineenvaihdunta). Tätä varten kaikki elävät olennot (kasvit, eläimet tai sienet) käyttävät samaa peruskieltä: geneettistä koodia, joka koostuu 64 kodonista. Kolmen kirjaimen yhdistelmät kertovat soluille, miten proteiinien perusrakenteet (aminohapot) kootaan.
31. heinäkuuta brittiläiset tutkijat MRC Laboratory of Molecular Biology -laboratoriossa (Cambridge) osoittivat Science-lehdessä julkaistussa tutkimuksessa, että tämä kieli on mahdollista kirjoittaa uudelleen. He loivat kokonaisen genomin, jossa seitsemän redundanttia kodonia korvattiin synonyymeillä, ja saivat aikaan elävän bakteerin.
Syn57 pystyy elämään, kasvamaan ja jakautumaan kuten kaikki muut bakteerit, mutta se noudattaa minimalistista biologista suunnitelmaa, jolla ei ole vastinetta luonnossa.
Syn57: ihmisen keksimällä kielellä puhuva elävä olento
Syn57 on rakennettu toisen bakteerin pohjalta, joka on melko tunnettu suurelle yleisölle sen aiheuttamien sairauksien vuoksi: Escherichia coli. Sitä käytetään paljon biologiassa laboratoriokoe-eläimenä, koska se kestää hyvin muutoksia ja säilyttää korkean geneettisen vakauden.
Syn57:n tapauksessa sen koko DNA (desoksiribonukleiinihappo) on rakennettu uudelleen tietokoneella, jaettu 100 kilotavun lohkoihin ja koottu pala palalta korvaamalla seitsemän luonnossa esiintyvää kodonia synonyymeillä.
Yksinkertaistaminen vaati tiimiltä yli 100 000 muutosta genomiin, jossa seitsemän kodonia korvattiin: neljä seriinia (entsymaattisissa reaktioissa mukana oleva aminohappo) tuottavaa, kaksi alaniinia (lähes kaikissa proteiineissa esiintyvää) tuottavaa ja yksi ns. stop-kodoni, joka merkitsee DNA:n lukemisen loppua proteiinin synteesin aikana, joka on määritetty uudelleen.
Jokainen muutos testattiin ensin eristetyillä genomin osilla, jotka lisättiin yksi kerrallaan eläviin bakteereihin, jotta voitiin varmistaa, että ne eivät häiritse solujen toimintaa. Kun tämä tarkistus oli suoritettu, tutkijat kokosivat hitaasti koko muokatun genomin, kunnes saivat aikaan täydellisen synteettisen version, joka oli kokonaan koodattu 57 kodonilla.
Näin uudelleenrakennettu Syn57 heräsi eloon, jakautui ja osoittautui yhtä vakaaksi kuin muut bakteerit, mikä osoittaa, että sen katkaistu geneettinen koodi riittää tukemaan elämän olennaisia toimintoja.
Koodoni (kuvassa alareunassa) on kolmen nukleotidin sekvenssi messenger-RNA:ssa (mRNA).
Geneettisesti eristetty organismi
Syn57:n suurin erityispiirre on, että sen geneettinen koodi on viruksille täysin lukukelvoton. Normaalisti virukset tartuttavat soluja ottamalla haltuunsa niiden sisäisen koneiston: ne ruiskuttavat soluun omaa geneettistä materiaaliaan, jonka solu ottaa vastaan kelvollisina ohjeina. Sitten solu alkaa tuottaa viruksen proteiineja omien proteiinien sijaan.
Koska Syn57:n geneettinen koodi on täysin muutettu, virukset eivät enää tunnista sitä, se on niille täysin lukukelvoton. Ne eivät siis voi käyttää sitä ”hakkeroidakseen” sitä omaan hyödykseen. Vaikka ne onnistuisivatkin ruiskuttamaan DNA:taan, solu ei enää ymmärrä sitä eikä kykene kääntämään sitä virusproteiineiksi, joten infektio epäonnistuu jo ensimmäisessä vaiheessa.
Miksi tällainen solu haluttiin luoda? Ensinnäkin se on keino avata laajempi kenttä synteettisen biologian saavutuksille ja samalla parantaa geenimanipulaation turvallisuutta. Jokainen vapautettu kodoni avaa uuden tilan; jokainen kodoni voidaan määrittää uuteen tehtävään, esimerkiksi luonnossa esiintymättömien keinotekoisten aminohappojen integroimiseen.
”Tämä antaa tutkijoille mahdollisuuden suunnitella synteettisiä polymeerejä tai innovatiivisia makrosyklejä [toim.: suuria rengasmaisia molekyylejä, joita käytetään usein farmaseuttisessa kemiassa niiden erityisten biologisten ominaisuuksien, kuten kyvyn sitoutua tarkasti tiettyihin molekyylikohteisiin, vuoksi]”, tutkimusryhmä selitti tässä lehdistötiedotteessa.
Näitä molekyylejä voitaisiin lopulta käyttää uusien entsyymien, tehokkaampien biomateriaalien tai jopa räätälöityjen lääkkeiden valmistamiseen. Tässä mielessä Syn57:ää voidaan pitää eräänlaisena elävänä ja ohjelmoitavana alustana, jota biologit voisivat käyttää terapeuttisiin tai teollisiin tarkoituksiin.
Se voisi auttaa ratkaisemaan melko yleisen ongelman lääkealalla: virusinfektiot, jotka tuhoavat kokonaisia bakteerikantoja, joita käytetään proteiinien tai entsyymien tuotantoon. Näiden teollisen viljelyn kustannukset voisivat siten laskea.
”Tämä työ osoittaa, kuinka genomin synteesi voi siirtää organismin sekvenssejä uusiin alueisiin geneettisessä maisemassa, jotka eivät todennäköisesti ole koskaan olleet luonnollisen elämän ulottuvilla”, tutkijat päättelevät tutkimuksessaan.
Charles Darwin näki aikanaan jokaisessa organismissa evoluution tuloksena syntyneen kompromissin. Syn57 on täysin päinvastainen: solu, josta on poistettu osa sen redundansseista ja joka on rakennettu uudelleen sen omien tavoitteiden mukaiseksi. Tämä ei ole ristiriidassa Darwinin teorian kanssa, mutta MRC:n tutkijat ovat juuri osoittaneet, että luonnollinen evoluutio ei ole ainoa olemassa oleva tie. Oli olemassa toinenkin tie, jonka ovat luoneet ihmisen äly ja insinööritaito.
