Mennesker har brukt det de vet om den biologiske verden for å lage ting i århundrer - fra øl til antibiotika. Men hva om du kunne manipulere den verdenen på et veldig grunnleggende, genetisk nivå for å lage noe du trengte? Å programmere en celle for å produsere et medikament, generere energi eller angripe et patogen i kroppen virker som ting av science fiction, men det er det det nye feltet syntetisk biologi lover.
Relatert innhold
- Engineered Yeast kunne åpne opp et DIY-smertestillende marked
- Kan Panda Poop være hemmeligheten bak mer effektivt biodrivstoff?
- Yeasts of the Southern Wild
- Big Brew-ha-ha: Forskere oppdager Lager's Wild Yeast
På et veldig grunnleggende nivå er syntetisk biologi på samme måte som å bygge en kompleks struktur ut fra Legos. Akkurat som Lego-ingeniøren må finne ut hvordan alle de små blokkene passer sammen, må forskere finne ut nøyaktig hvilke genetiske elementer de trenger og hvordan disse elementene passer sammen for å bygge disse biologiske strukturene, enten det er et gen, en vei som involverer noen få gener, eller til og med et fullt kromosom - en struktur som inneholder hundrevis av gener.
De siste syv årene har et internasjonalt team av forskere funnet ut hvordan man konstruerer et gjærkromosom fra grunnen av. Nå har de bygget en og integrert den i en levende gjærcelle. Arbeidet deres, publisert i dag i Science, markerer et betydelig fremskritt innen syntetisk biologi - og forsiktige skritt mot muligheten til å lage designergener for planter og dyr.
"Det er det mest forandrede kromosomet som noensinne er blitt bygget. Men milepælen som virkelig teller er å integrere den i en levende gjærcelle, " sa Jef Boeke, en genetiker ved NYUs Langone Medical Center og en medforfatter på studien i en uttalelse.
Hvorfor gjær? For det første har mennesker et langt forhold til soppen. Bryggergjær ( Saccharomyces cerevisiae ) har blitt brukt til å lage øl og bake brød siden antikken. I dag begynner det moderne industrielle bioteknologifeltet å bruke gjær til å lage vaksiner, medisiner og biodrivstoff. I det moderne biologilaboratoriet er gjær også en modellorganisme fordi cellene fungerer på samme måte som menneskelige celler. Både mennesker og gjær er eukaryoter, noe som betyr at cellene deres inneholder et sentralt knutepunkt som kalles en kjerne som lagrer DNA i tett sårede kromosomer. Som et resultat vet vi mye om gjærbiologi og genetikk.
Genetiker Jef Boeke undersøker en plate gjærkolonier som inneholder en syntetisk versjon av et spesifikt kromosom (Foto: NYU Langone) For organismer uten en cellekjerne har imidlertid syntetisk biologi allerede produsert hele genomer. Forskere har konstruert og reprodusert virus i omtrent et tiår. I 2008 bygde forskere ved J. Craig Venter Institute i Maryland et fullstendig bakteriegenom og har fortsatt med å produsere den første levende organismen med et syntetisk genom (en encellet bakterie). Men et slikt mikrobielt genom inneholder bare ett kromosom, mens mennesker har 23 par og bryggergjær har 16. Å ha så mange gener i spill kan bety mye mer variasjon, slik at å finjustere ett gen kan ha vidtrekkende implikasjoner på tvers av genomet.
Et av gjærens kromosomer inneholder for eksempel et gen for paringstype av gjær (slags lik kjønn) som i seg selv styrer flere andre gener på tvers av genomet. Det gjorde det til et attraktivt utgangspunkt for Boeke og kollegene. På en datamaskin designet de hvordan de ville at den syntetiske versjonen av dette kromosomet skulle se ut. Da ved Johns Hopkins University i Baltimore, trengte Boeke-teamet DNA, så han begynte å verve hjelp fra studenter gjennom et "Build-A-Genome" -kurs i 2007. Studenter sydde sammen nukleotider, forbindelsene som danner DNA-strenger, for å gjøre korte utdrag av genetisk sekvens eller "byggesteiner".
For å lime de byggesteinene i større "minichunks", brukte forskerne forskjellige enzymbehandlinger og brukte til og med gjærens eget maskiner for genetisk montering. Til slutt utnyttet de gjærens tendens til å rekombinere DNA-biter til sitt eget genom for å samle seg, biter av biter. Etter hvert erstattet gjæren det originale kromosomet som ble valgt med den syntetiske versjonen. Boeke likner hele prosessen med å bygge en bok: du begynner med å lage ord, deretter avsnitt, sider, kapitler og til slutt selve boken.
Når de bygde det, ønsket Boeke og kollegene å teste funksjonaliteten til det syntetiske kromosomet i gjærceller. Forskerne designet kromosomet for å inkludere spesielle markører på gener som antas å være ikke-viktige - markørene ble konstruert slik at de kunne bli utløst av et enzym for å kryptere, slette eller duplisere gener.
Teamet utløste deretter markørene systematisk for å gjøre mer enn 50 000 endringer i det syntetiske kromosomet på bestemte punkter i koden - risikabel virksomhet fordi tilfeldige forandringer lett kan drepe gjærcellen. "Det er et veldig gjennomgripende redigert kromosom, " sier Boeke. Når de endret eller slettet gener, vokste noen celler bedre enn andre under forskjellige forhold, men alle cellene vokste.
Uansett hvordan forskerne finjusterte vekstforholdene, har cellene med det syntetiske kromosomet fremdeles gyrekolonier. "Til tross for alle disse endringene, har vi faktisk fått en gjær som ser ut som en gjær, lukter som en gjær og lager alkohol som en gjær, sier Boeke." Vi kan ikke skille den fra hverandre, og likevel er det slik annerledes. "Dette betyr at gjærgenomet - i det minste delene som forskerne utløste for å endre - er svært spenstig og kan håndtere mye mutasjon, et funn som er ganske imponerende fra et genteknisk perspektiv.
Et kart over designergjærkromosomet bygget av Boeke og kollegene. (Bilde: Boeke et al.) “Dette arbeidet rapporterer det første designer-eukaryotiske kromosomet som er blitt syntetisert fra bunnen av, noe som er et viktig skritt mot konstruksjonen av et designer-eukaryotisk genom. Det åpner dører for å møte mange vitenskapelige og tekniske spørsmål, sier Huimin Zhao, en biomolekylær ingeniør ved University of Illinois i Urbana-Champaign.
For eksempel er det syntetiske kromosomet laget av Boeke sitt team 14 prosent mindre enn det normale kromosomet de søkte å duplisere. Så, hva er det minste genomet man trenger for å lage en fungerende gjærcelle? Basert på metodene som er brukt her, kan de begynne å teste spørsmålene i laboratoriet. Og selv om forskningsveiene florerer, sier Boeke at neste trinn for teamet hans vil være å bruke disse teknikkene for å syntetisere hele gjærgenomet.
Etter å ha syntetisert genomet, kunne forskere i teorien bruke markørene til å finpusse forskjellige gener i større skala. Dette kunne tillate dem å tilpasse gjærceller med syntetiske genomer egnet for spesifikke formål.
For eksempel har noen bioteknologifirmaer allerede satt inn gener i raskt replikerende gjærceller for å produsere store mengder av en syntetisk versjon av malariamedisinen artemisinin, og prosjektering av et designergenom kan forbedre produksjonsprosessen. Hvordan vil prosjektering av et designergenom forbedre produksjonsprosessen? Hvilke nye medisiner kan gjøres med spesiallaget gjær? Eller på et mindre altruistisk nivå, hvilke nye øltyper? Enten du ønsker å behandle menneskelige sykdommer eller bare vil ha en tilfredsstillende forkjølelse på slutten av dagen, er syntetisk biologi nå et skritt nærmere å hjelpe deg.
