Ljudi koriste ono što znaju o biološkom svijetu stoljećima - od piva do antibiotika. Ali, što ako možete manipulirati tim svijetom na vrlo osnovnoj, genetskoj razini kako biste napravili nešto što vam treba? Programiranje stanice za proizvodnju lijeka, stvaranje energije ili napada patogena u tijelu čini se poput znanstvene fantastike, ali to obećava novo polje sintetske biologije.
Povezani sadržaj
- Dizajnirani kvasac mogao bi otvoriti tržište proizvoda protiv bolova protiv proizvoda
- Može li Panda Poop biti tajna za učinkovitije biogorivo?
- Kvasci južne divljači
- Big Brew-ha-ha: Znanstvenici otkrivaju Lagerov divlji kvasac
Na vrlo osnovnoj razini sintetska biologija nalik je stvaranju složene strukture od Legosa. Baš kao što Lego inženjer mora shvatiti kako se svi mali blokovi spajaju zajedno, tako znanstvenici moraju shvatiti koji genetski elementi su im potrebni i kako se ti elementi kombiniraju za izgradnju tih bioloških struktura, bilo da je u pitanju gen, put koji uključuje nekoliko gena ili čak puni kromosom - struktura koja sadrži stotine gena.
Posljednjih sedam godina međunarodni tim istraživača smišljao je kako iz temelja konstruirati kromosom kvasca. Oni su ga uspješno izgradili i integrirali u stanicu živog kvasca. Njihov rad, objavljen danas u časopisu Science, bilježi značajan napredak na polju sintetske biologije - i oprezan korak ka sposobnosti stvaranja dizajnerskih genoma za biljke i životinje.
"To je najopsežnije izmijenjeni kromosom koji je ikada izgrađen. Ali najvažniji korak je uklapajući ga u stanicu živog kvasca", rekao je Jef Boeke, genetičar iz NYU-ovog Medicinskog centra Langone i koautor studije u izjavi.
Zašto kvasac? Kao prvo, ljudi imaju dugu vezu s gljivicama. Pivski kvasac ( Saccharomyces cerevisiae ) od davnina se koristi za pravljenje piva i pečenje kruha. Danas moderno industrijsko biotehnološko polje počinje koristiti kvasac za pravljenje cjepiva, lijekova i biogoriva. U modernom laboratoriju za biologiju kvasac je također uzorni organizam jer njegove stanice funkcioniraju slično kao i ljudske stanice. I ljudi i kvasac su eukarioti, što znači da njihove stanice sadrže središnji otvor nazvan jezgrom koji pohranjuje DNK u čvrsto namotane kromosome. Kao rezultat toga, znamo puno o biologiji kvasca i genetici.
Genetičar Jef Boeke pregledava ploču kolonija kvasca koja sadrži sintetičku verziju specifičnog kromosoma (Foto: NYU Langone) Međutim, za organizme bez staničnog jezgra sintetička biologija već je proizvela čitave genome. Znanstvenici su konstruirali i reproducirali viruse oko desetljeća. 2008. godine, istraživači iz Instituta J. Craig Venter u Marylandu izgradili su genom punu bakterija i nastavili su proizvoditi prvi živi organizam sa sintetičkim genomom (jednocelična bakterija). Ali takav mikrobni genom sadrži samo jedan kromosom, dok ga ljudi imaju 23 para i pivski kvasac ima 16. Imati toliko gena u igri može značiti puno više varijabilnosti, tako da bi ugađanje jednog gena moglo imati dalekosežne implikacije na genom.
Na primjer, jedan od kromosoma kvasaca sadrži gen za vrstu parenja kvasca (vrsta sličnog spola) koja sama po sebi upravlja nekoliko drugih gena u genomu. To je Boekeu i njegovim kolegama učinilo atraktivnom polazištu. Na računalu su osmislili kako žele da izgleda njihova sintetička inačica ovog kromosoma. Tada je na Sveučilištu Johns Hopkins u Baltimoru, Boekeovom timu bio potreban DNK, pa je 2007. godine počeo upisivati u pomoć studentima dodiplomskog studija putem tečaja "Build-A-Genome". Studenti su spajali nukleotide, spojeve koji tvore nizove DNK, kako bi skratili isječke genetskog niza ili „građevne blokove“.
Za lijepljenje tih građevnih blokova u veće "minichunks", istraživači su koristili različite enzimske postupke i čak koristili strojeve za genetski sklop kvasca. Konačno, iskoristili su sklonost kvasca da rekombinira djeliće DNK u svoj genom kako bi ih sastavili, spojili po komadić. Na kraju je kvasac zamijenio izvorni kromosom odabran sintetskom verzijom. Boeke uspoređuje cjelokupni postupak stvaranja knjige: započinjete s pravljenjem riječi, zatim odlomaka, stranica, poglavlja i na kraju same knjige.
Jednom kada su ga izgradili, Boeke i njegovi kolege htjeli su testirati funkcionalnost sintetskog kromosoma u stanicama kvasca. Istraživači su dizajnirali kromosom da uključi posebne markere na genima za koje se smatra da su nebitni - markeri su napravljeni tako da ih može aktivirati enzim za skeniranje, brisanje ili umnožavanje gena.
Tim je potom sustavno pokrenuo markere kako bi napravio više od 50.000 promjena u sintetičkom kromosomu u određenim točkama koda - rizično poslovanje, jer bi nasumične promjene lako mogle ubiti stanicu kvasca. "To je vrlo prožeto uređen kromosom", kaže Boeke. Kad su promijenili ili izbrisali gene, neke su stanice rasle bolje od drugih u različitim uvjetima, ali sve su stanice rasle.
Nadalje, bez obzira kako su istraživači prilagodili uvjete rasta, stanice sa sintetičkim kromosomom još uvijek rađaju kolonije kvasca. "Unatoč svim tim promjenama, ustvari imamo kvasac koji izgleda poput kvasca, miriše na kvasac i čini alkohol poput kvasca, kaže Boeke." Ne možemo to razaznati, a ipak je tako različito. "To znači da je genom kvasca - barem dijelovi koje su istraživači pokrenuli da mijenjaju - vrlo elastičan i može podnijeti mnogo mutacija, što je iz perspektive genetskog inženjerstva prilično impresivno.
Karta dizajnerskog kromosoma s kvascima koji su izgradili Boeke i njegovi kolege. (Slika: Boeke i dr.) „Ovaj rad izvještava o prvom dizajnerskom eukariotskom kromosomu koji je sintetiziran od nule, što je važan korak prema izgradnji dizajnerskog eukariotskog genoma. To otvara vrata za rješavanje mnogih znanstvenih i tehničkih pitanja ", kaže Huimin Zhao, inženjer biomolekularne struke na Sveučilištu Illinois u Urbani-Champaign.
Na primjer, sintetički kromosom koji je napravio Boekeov tim je 14 posto manji od normalnog kromosoma koji su pokušali umnožiti. Dakle, koji bi najmanji genom trebao za stvaranje funkcionalne stanice kvasca? Na temelju ovdje primijenjenih metoda mogu započeti s testiranjem tih pitanja u laboratoriju. Iako istraživački putevi obiluju, Boeke kaže da će sljedeći korak za njegov tim koristiti ove tehnike za sintetizaciju čitavog genoma kvasca.
Nakon sinteze genoma, istraživači bi u teoriji mogli upotrebljavati markere za podešavanje različitih gena na skali veće veličine. Ovaj mogao im dopustiti prilagoditi stanice kvasca sintetskim genima pogodnim za posebne svrhe.
Na primjer, neke biotehnološke tvrtke već su umetnule gene u stanice koje se brzo umnožavaju kvascima da bi se proizvele velike količine sintetičke verzije lijeka protiv malarije artemisinin, a uvođenjem dizajnerskog genoma moglo bi se poboljšati proizvodni proces. Kako bi inženjering dizajnerskog genoma poboljšao proces proizvodnje? Koje se nove vrste lijekova mogu napraviti s posebno prilagođenim kvascem? Ili na manje altruističkoj razini kakve nove vrste piva? Bez obzira želite li liječiti ljudske bolesti ili samo želite zadovoljavati hladnoću na kraju dana, sintetička biologija sada je korak bliže pomoći vam.
