Kaip perdaryti gyvenimą

Tiksliu judesiu Li Ma, J. Craigo Venterio instituto technikas Rokvilyje, MD, pipete įpila vyšnių raudonumo bakterijų ląstelių tirpalą į buteliuką, kuriame yra skaidrus trapių DNR kilpų tirpalas. Šios kilpos, didžiausios kada nors laboratorijoje surinktos DNR dalys, gali kontroliuoti visas įprastas ląstelės funkcijas. Tačiau DNR atsirado ne iš bakterijų: vietoj to mokslininkai ją sujungė iš buteliuose išpilstytų cheminių medžiagų. Procesas, kurį jie neseniai sukūrė šiam tikslui, yra pirmasis, iš kurio gaunamos sintetinės ląstelės, kurios gali išgyventi. Kai kurios bakterijų ląstelės, su kuriomis dirba Ma, susilies tirpale, apimdamos sintetinį genomą, tada daugindamosi ir gyvendamos jo kontroliuojamos.

Ląstelių tirpalas, kai kuriose iš jų yra naujas genomas, sumaišomas su gelio pagrindu veikiančia auginimo terpe, kurioje yra antibiotikas. Tada supilama į Petri lėkštes ir dedama į inkubatorių. Tik ląstelės, turinčios sintetinį genomą, turi geną, saugantį jas nuo antibiotikų. Mėlynos dėmės yra bakterijų kolonijos, kurias dabar kontroliuoja persodintas sintetinis genomas.

Įprasta genų inžinerija yra ilgas procesas, kurio metu genai keičiami po vieną, dažnai per nuoseklias organizmų kartas. Dėl to radikaliai pakeisti genomą yra bauginantis pasiūlymas. Tačiau naujai sukurti metodai leidžia tyrėjams redaguoti genomus kompiuteryje, atimant arba pridedant genus pažodžiui išpjaunant ir įklijuojant juos į failą. Tai labiau panašu į teksto apdorojimą, o ne į tradicinį laboratorinį darbą, susijusį su organizmų kartų kultivavimu ir patikrinimu. Tada mokslininkai gali atlikti genetinį failo atspausdinimo atitikmenį, tada jie gali persodinti rezultatą – naują genomą – į esamas ląsteles. Šie žingsniai žymiai pagreitina inžinerinį procesą; gali prireikti kelių savaičių eksperimentams, kurie anksčiau būtų užtrukę mėnesius ar metus, užbaigti.

Ši istorija buvo mūsų 2010 m. rugsėjo mėn. numerio dalis

• Žr. likusią numerio dalį
• Prenumeruoti

Galiausiai mokslininkai nori naudoti sintetinę biologiją, kad sukurtų mikrobus, kurie labai efektyviai gamina vakcinas, švarų kurą ir kitus produktus. Tačiau jie negali sukurti naujų genomų nuo nulio, nes dar nepakankamai žino, kokių genų ir genų tinklų reikia gyvybei palaikyti ir norimam produktui gaminti. Galite pašalinti vieną geną ir ląstelė gyvuos; išimkite sekundę ir ji miršta; tada pašalinkite trečią ir jis vėl gyvuos, sako Danielis Gibsonas, instituto docentas. Taigi, Venter mokslininkai eksperimentuoja su natūraliai atsirandančio genomo seka. Jie tikisi sužinoti daugiau apie tai, kaip veikia genomai ir ląstelės, greitai ištrindami ir pridedant genus įvairiais deriniais, įtraukdami naujus genomus į ląsteles ir stebėdami, kaip tie genomai veikia arba neveikia.

Genetinė peržiūra

Procesas prasideda kompiuteryje, kur Gibsonas ištraukia bakterijos genomą Mycoplasma mycoides . Tai gana paprasta, susidedanti iš tik 1 078 809 DNR bazių porų, kurios sudaro apie 900 genų. (Palyginimui, E. coli bakterijos turi apie 4400 genų.) Gibsonas ir jo kolegos padarė keletą pakeitimų: iš sekos ištrynė 14 genų ir pridėjo kitus. Norėdami sukurti vandens ženklą, išskiriantį jų kūrybą, jie sukūrė kodą, kuris paverčia anglų kalbą į keturių raidžių DNR abėcėlę ir panaudojo jį genomui modifikuoti, įtraukdamas jų vardus, URL, kelis sakinius ir el. pašto adresą. genomo.

Tada Gibsono grupė naudoja programinę įrangą, kad pakeistų genomą padalintų į 1100 sekcijų, kurių kiekviena yra apie 1080 bazinių porų – tokio dydžio, kurį galima ekonomiškai pagaminti naudojant DNR sintezatorių, mašiną, kuri sujungia DNR ruožus iš atskirų bazių porų, tiekiamų buteliuose. Galiausiai, tyrėjai pasitelkia mielių ląsteles, kad sujungtų šias ilgas dalis – tai darbas, kurio mašinos negali atlikti.

Gibsonas atsiklaupia priešais laboratorijoje esantį šaldytuvą ir ištraukia 12 plastikinių dėžių, kurių kiekvienoje yra 96 ​​šulinėliai, pilni DNR fragmentų, pagrįstų kompiuteriu modifikuotu dizainu. Jis sukrauna juos ant suoliuko ir sako: Tai visas genomas iš 1100 vienetų. Gibsonas pipete surenka 10 fragmentų ir prideda juos prie mažo plastikinio vamzdelio kartu su papildomu DNR fragmentu, kuris padės sujungti seką į kilpą. Tada jis prideda mielių ląstelių, kurios buvo apdorotos, kad jos galėtų paimti DNR dalis. Kiekviena mielių ląstelė mano, kad šios DNR dalys yra jos pačios chromosomos dalis, ir ji sulaužyta, sako jis. Tai nori juos vėl sujungti. Tyrėjai suprojektavo DNR fragmentus taip, kad tie, kurie turi būti sujungti, baigtųsi su atitinkančiomis sekomis. Mielės sujungia 10 fragmentų, suderindamos šias sekas, kad sudarytų DNR kilpas, kurių kiekviena yra 10 000 bazinių porų. Kartojant procesą, 10 000 bazių porų sekos susiejamos ir susidaro 100 000 bazinių porų genomo segmentai. Po trečiojo sujungimo etapo mielės sujungė visą sintetinį genomą. Taikant nusistovėjusius metodus, iš mielių išgaunami sintetiniai genomai.

Išskirtą DNR tvarkyti reikia labai atsargiai: net mažas genomas yra milžiniška, trapi molekulė. Jis suskils į 100 vienetų, jei tik pažiūrėsite neteisingai, sako Gibsonas. Jei jis būtų suspenduotas skystame tirpale, DNR galėtų būti sunaikinta vien skysčiui judant. Taigi Gibsonas imobilizuoja genomus agarozėje, iš dumblių gautame gelyje, dažniausiai naudojamas kaip terpė mikrobams. Uždengtas šioje apsauginėje granulėje, jas galima saugiai laikyti tol, kol tyrėjai pasiruoš jas persodinti į recipiento ląsteles.

Mažoji transplantacija

Laboratorijoje prieškambaryje Ma paruošė ląsteles, kurios gaus naują seką: bakterijų rūšį, vadinamą Mycoplasma capricolum kuri yra glaudžiai susijusi su rūšimi, iš kurios gaunamas sintetinis genomas. Nors fermentas, skaidantis agarozę, viename mėgintuvėlyje suskystina DNR turinčias granules, Ma paima kitą mėgintuvėlį ir sumaišo bakterijas su kalcio chloridu ir polietilenglikoliu – kokteiliu, kuris, mokslininkų nuomone, daro ląstelių paviršius lanksčius ir lipnus. Dabar tai atsitiktinumo ir tvirtos rankos reikalas. Ma pipete supila dalį ląstelių mišinio į buteliuką, kuriame yra sintetinės genomo kilpos. Lipnios ląstelės pradeda jungtis viena su kita. Kad po suliejimo išlaikytų sferinę formą, jos turi paimti tūrį iš aplinkinio tirpalo. Taip atsitinka, kai kurios ląstelės – maždaug viena iš 100 000 – taip pat įsisavina sintetinį genomą. Rezultatas yra savotiška superląstelė, turinti tris genomus – sintetinį genomą ir po vieną iš kiekvienos iš dviejų ląstelių. Tada superląstelė dalijasi į tris mažesnes ląsteles, iš kurių vienoje yra sintetinis genomas.

Ma sutepa ląstelių tirpalą ant auginimo plokštelių, kuriose yra antibiotikas, kuriam atsparios tik ląstelės su sintetiniu genomu (genomo redagavimo proceso metu mokslininkai pridėjo geną, dėl kurio jos jam nelaidžios). Šios ląstelės gyvens, augs ir dalijasi valdomos naujo genomo. Likusieji miršta, palikdami gryną sintetinių ląstelių koloniją.

Kitas Venterio instituto tyrėjų žingsnis yra naudoti savo genomo redagavimo, sintezės ir transplantacijos metodus, kad sukurtų ir išbandytų genomus su vis mažiau genų. Tikslas yra sukurti minimalią ląstelę – tokią, kurioje būtų tik genai, kurių jai reikia išgyventi. Tokią ląstelę genų inžinerijos būdu pakeisti gali būti lengviau nei natūralią.

Tyrėjų metodai šiuo metu yra labai brangūs: sintetinio genomo gamyba ir persodinimas kainuoja 300 000–500 000 USD, jei tyrėjai sintezuoja DNR namuose, arba maždaug tris kartus daugiau, jei perka ją iš išorės tiekėjo. Tačiau DNR sintezės kaina krenta ir gali toliau mažėti, nes didėja paklausa ir tobulėja technologijos. Jei taip atsitiks ir genomo kūrimo metodai pasirodys tokie pat naudingi, kaip tikisi Venter mokslininkai, daugiau žmonių pradės taikyti jų metodus, sako Bostono universiteto biomedicinos inžinerijos profesorius Jamesas Collinsas.

Tai yra reikšmingas sintetinės biologijos pažanga, sako Collinsas. Dabar turime pamatyti, kokie yra pokyčiai, kuriuos galima įvesti į genomą?

paslėpti