211service.com
Ateityje genomų neredaguosime – tiesiog išspausdinsime naujus
Kodėl nuolankios mielės pertvarkymas gali pradėti kitą pramonės revoliuciją? 2018 m. vasario 16 d
NYU medicinos mokykla
Bent jau nuo tada, kai prieš tūkstančius metų ištroškę šumerai pradėjo virti alų, Homo sapiens palaikė glaudžius santykius su Saccharomyces cerevisiae , vienaląsčių grybų, geriau žinomų kaip alaus mielės. Fermentacijos būdu žmonės galėjo panaudoti mikroskopines rūšis savo tikslams. Šiomis dienomis mielių ląstelės gamina etanolį ir insuliną ir yra mokslo laboratorijų darbo arkliukas.
Tai nereiškia S. cerevisiae negali būti toliau tobulinamas – bent jau ne, jei Jef Boeke turi savo kelią. Niujorko universiteto Langone Health Sistemų genetikos instituto direktorius Boeke'as vadovauja tarptautinei šimtų žmonių komandai, skirtai 12,5 milijono genetinių raidžių, sudarančių mielių ląstelių genomą, sintezei.
Praktiškai tai reiškia, kad kiekviena mielių chromosoma (jų yra 16) palaipsniui keičiama DNR, pagaminta ant viryklės dydžio cheminių sintezatorių. Be to, Boeke'as ir bendradarbiai iš beveik dvylikos institucijų supaprastina mielių genomą ir įveda užpakalines duris, kad mokslininkai galėtų keisti savo genus. Galų gale sintetinės mielės, vadinamos Sc2.0, bus visiškai pritaikomos.
Per ateinančius 10 metų sintetinė biologija gamins visų rūšių junginius ir medžiagas su mikroorganizmais, sako Boeke. Tikimės, kad mūsų mielės vaidins svarbų vaidmenį.
Pagalvokite apie projektą kaip apie pirmąjį Henry Fordo automobilį – rankomis pagamintą ir kol kas unikalų. Tačiau vieną dieną mes galime reguliariai kurti genomus kompiuterių ekranuose. Užuot sukūrus ar net redagavus organizmo DNR, gali būti lengviau tiesiog išspausdinti naują kopiją. Įsivaizduokite dizainerių dumblius, kurie gamina degalus; ligoms atsparūs organai; atgijo net išnykusios rūšys.
Jef Boeke vadovauja pastangoms sukurti mieles su žmogaus sukurtu genomu. NYU medicinos mokykla
Manau, kad tai gali būti didesnė už kosmoso ar kompiuterių revoliuciją, sako Harvardo medicinos mokyklos genomo mokslininkas George'as Churchas.
Mokslininkai anksčiau susintetino genetines instrukcijas, kurios valdo virusus ir bakterijas. Tačiau mielių ląstelės yra eukariotinės – tai reiškia, kad jos apriboja savo genomus į branduolį ir sujungia juos į chromosomas, kaip tai daro žmonės. Jų genomai taip pat daug didesni.
Tai problema, nes sintetinti DNR vis dar nėra taip pigu, kaip ją skaityti. Žmogaus genomą dabar galima sekvenuoti už 1000 USD, o kaina vis dar mažėja. Palyginimui, norėdamas pakeisti kiekvieną mielėse esančią DNR raidę, Boeke turės nusipirkti jos už 1,25 mln. Pridėjus darbo ir kompiuterio galią, bendra dešimtmetį vykdomo projekto kaina yra gerokai didesnė.
Kartu su Church, be kita ko, Boeke yra GP-write, organizacijos, pasisakančios už tarptautinius tyrimus, siekiant tūkstantį kartų per ateinantį dešimtmetį sumažinti genomų projektavimo, inžinerijos ir testavimo išlaidas, lyderis. Mes, kaip šios planetos rūšis, susiduriame su įvairiais iššūkiais, ir biologija gali jiems turėti didžiulį poveikį, sako jis. Bet tik tuo atveju, jei galime sumažinti išlaidas.
Iki dugno
Mokslininkas Ronaldas Davisas iš Stanfordo pirmą kartą pasiūlė galimybę susintetinti mielių genomą 2004 m. konferencijoje, nors iš pradžių Boeke nematė prasmės. Kodėl kas nors norėtų tai daryti? jis prisimena galvodamas.
Tačiau Boeke'as sugalvojo, kad mielių genomo gamyba gali būti geriausias būdas suprasti organizmą. Pakeitę kiekvieną dalį galite sužinoti, kurie genai yra būtini ir be kurių organizmas gali gyventi. Kai kurie komandos nariai vadina idėją, kad suprastų.
Tai kitoks požiūris į bandymą suprasti, kaip veikia gyvi daiktai, sako Leslie Mitchell, NYU laboratorijos doktorantė ir viena iš pagrindinių sintetinių mielių kūrėjų. Sužinome, kokios mūsų žinių spragos egzistuoja taikant genetinį metodą „iš apačios į viršų“.
Johnso Hopkinso kompiuterių mokslininkas Joelis Baderis prisijungė prie programinės įrangos, leidžiančios mokslininkams matyti mielių chromosomas ekrane ir sekti jų pasikeitimus, kūrimo programinę įrangą, pavyzdžiui, biologijos „Google“ dokumentus. O 2008 m., siekdamas sukurti DNR, Boeke pradėjo Hopkinso bakalauro kursą, pavadintą Sukurkite genomą. Studentai mokysis pagrindinės molekulinės biologijos, nes kiekvienas surinko ištisinį 10 000 DNR raidžių ruožą, kuris būtų skirtas sintetinių mielių projektui. Vėliau prisijungė kelios institucijos Kinijoje, kad pasidalytų darbo krūvį, kartu su bendradarbiais Britanijoje, Australijoje ir Japonijoje.
Mes priskiriame chromosomas atskiroms komandoms, pavyzdžiui, priskiriame knygos skyrių, ir jos turi laisvę nuspręsti, kaip tai padaryti, jei tik tai 100 procentų pagrįsta tuo, ką mes projektuojame, sako Patrick Cai, Sintetinės biologijos specialistas iš Universiteto. Mančesteris ir mielių projekto tarptautinis koordinatorius.
Tolesni žingsniai
Boeke'ui ir jo komandai prireikė aštuonerių metų, kol jie galėjo paskelbti savo pirmąją visiškai dirbtinę mielių chromosomą. Nuo to laiko projektas įsibėgėjo. Praėjusį kovą kitos penkios sintetinės mielių chromosomos buvo aprašytos straipsnių rinkinyje. Mokslas , o Boeke teigia, kad visos 16 chromosomų dabar yra bent 80 proc. Šios pastangos yra didžiausias kada nors susintetintos ir vėliau sujungtos genetinės medžiagos kiekis.
Tai padeda, kad mielių genomas pasirodė nepaprastai atsparus komandos vizijoms ir peržiūroms. Turbūt didžiausia antraštė čia yra ta, kad genomą galite kankinti įvairiais būdais, o mielės tik juokiasi, sako Boeke.
George'as Churchas iš Harvardo universiteto kalba genomo inžinierių susitikime.
Boeke'as ir jo kolegos ne tik pakeičia natūralų mielių genomą sintetiniu (tik jo kopijavimas būtų triukas, sako Church). Visoje organizmo DNR jie taip pat įdėjo molekulines angas, tokias kaip nematomos mago plieninių žiedų pertraukos. Tai leidžia jiems pertvarkyti mielių chromosomas kaip kortų kaladę, kaip sako Cai. Sistema žinoma kaip SCRaMbLE, skirta sintetinei chromosomų rekombinacijai ir modifikavimui LoxP tarpininkaujant evoliucijai.
Rezultatas yra didelės spartos, žmogaus skatinama evoliucija: milijonai naujų mielių atmainų, pasižyminčių skirtingomis savybėmis, gali būti išbandyti laboratorijoje, siekiant nustatyti tinkamumą ir veikimą tokiose srityse kaip galiausiai medicina ir pramonė. Mitchellas prognozuoja, kad laikui bėgant Sc2.0 išstums visas įprastas mieles mokslinėse laboratorijose.
Galutinį Boeke projekto palikimą gali nuspręsti, koks genomas bus sintetinamas toliau. GP rašymo grupė iš pradžių manė, kad sintetinio žmogaus genomo kūrimas būtų didžiulis iššūkis. Kai kurie bioetikai nesutiko ir aštriai kritikavo planą. Boeke pabrėžia, kad grupė nevykdys projekto, kurio tikslas – sukurti žmogų su sintetiniu genomu. Tai reiškia, kad nėra dizainerių.
Nepaisant etinių sumetimų, viso žmogaus genomo, kuris yra daugiau nei 250 kartų didesnis už mielių genomą, sintezė dabartiniais metodais yra nepraktiška. Pastangos tobulinti technologijas taip pat trūksta finansavimo. „Boeke“ mielių darbą finansavo Nacionalinis mokslo fondas ir akademinės institucijos, įskaitant partnerius Kinijoje, tačiau didesnė GP rašymo iniciatyva nesulaukė didelio palaikymo, išskyrus 250 000 USD pradinę kompiuterinio projektavimo įmonės „Autodesk“ auką. Palyginkite tai su Žmogaus genomo projektu, kuriam JAV buvo skirta daugiau nei 3 mlrd.
Tai revoliucija, nuo kurios nenorime atsilikti, sako Church. Jei federalinė vyriausybė ir visos 50 valstijų nenori to daryti, mes pjausimės tai, ką sėjome. Mes būsime palikti.
Tuo tarpu gimdymas tęsiasi, bazinė pora po bazinės poros. Tarp žurnalų viršelių ir komandos nuotraukų Boeke ant savo kabineto durų turi citatą, priskiriamą genetikui Theodosius Dobzhansky: Niekas biologijoje neturi prasmės, išskyrus evoliucijos šviesą. Kad ir koks didysis projektas pavyktų Sc2.0 – galbūt susintetinti pelės genomą ar sukonstruoti kiaules, kad būtų sukurti saugūs organai, skirti žmonėms persodinti – vis dažniau tą evoliuciją vadovaus žmonės. Jei taip, Sc2.0 gali būti antras pagal svarbą laimėjimas, turintis mieles, po alaus.