Forskere fra Englands Medical Research Council Laboratory of Molecular Biology har med hell laget E. coli- bakterier med helt menneskeskapt DNA, og markert en milepæl i det spirende feltet syntetisk biologi og banet vei for fremtidig innovasjon bygd på såkalte “designer” -bakterier. .
I følge en ny studie publisert i tidsskriftet Nature, er det syntetiske genomet den desidert største i sitt slag. Produktet fra en to år lang forskningskampanje, det omdesignede DNAet består av fire millioner segmenter - fire ganger mer enn den forrige rekordinnehaveren. Kanskje mest imponerende inneholder bakteriene bare 61 kodoner, i motsetning til de 64 som finnes i nesten alle levende vesener. Til tross for denne tilsynelatende forskjellen, ser de syntetiske bakteriene ut til å fungere omtrent som normale E. coli. De viktigste forskjellene, som New York Times 'Carl Zimmer rapporterer, er en langsommere vekstrate og lengre lengde.
"Det var helt uklart om det var mulig å lage et genom så stort, og om det var mulig å endre det så mye, " forteller medforfatter Jason Chin, biolog ved University of Cambridge, til Guardian 's Ian Sample.
Men som Tom Ellis, direktør for Centre for Synthetic Biology ved Imperial College London og en anmeldelse av studien, forklarer til Gizmodos Ryan Mandelbaum, kulminerte teamets innsats til slutt i en "tour de force" for feltet: "De syntetiserte, bygget og viste at et syntetisk genom på 4 millioner basepar kunne fungere, sier Ellis. "Det er mer enn noen hadde gjort før."
For å "kode" et genom, må forskere manipulere de 64 kodonene, eller trebokstavskombinasjoner av DNA-molekylene A, T, C og G - forkortelse for adenin, timin, cytosin og guanin - som styrker alle levende organismer. Siden hver av de tre posisjonene i et kodon kan inneholde hvilke som helst av de fire molekylene, er det 64 totale mulige kombinasjoner (4 x 4 x 4). Disse kombinasjonene tilsvarer på sin side spesifikke aminosyrer, eller organiske forbindelser som bygger de nødvendige proteiner for livet. TCA, for eksempel, stemmer overens med aminosyren serin, mens AAG spesifiserer lysin. TAA fungerer som et stopptegn for slags, signaliserer organismen for å slutte å tilsette aminosyrer til et utviklende protein, forklarer STATs Sharon Begley.
Det er en annen fangst av denne allerede komplekse prosessen: Siden det bare er 20 aminosyrer assosiert med den genetiske koden, kan flere kodoner samsvare med en syre. Serine er for eksempel knyttet til ikke bare TCA, men AGT, AGC, TCT, TCC og TCG. Som John Timmer skriver for Ars Technica, er misforholdet i antall kodoner kontra aminosyrer 43 kodoner stort sett utenom. Selv om celler bruker disse ekstra settene som stoppkoder, reguleringsverktøy og mer effektive veier mot koding av et spesifikt protein, gjenstår faktum at mange er overflødige.
Å bestemme hvor overflødig disse ekstra kodonene var, tok omfattende prøving og feiling. Chin sier til Begley, "Det er mange mulige måter du kan kode et genom på, men mange av dem er problematiske: Cellen dør."
For å skape det vellykkede syntetiske genomet erstattet Chin og kollegene hver forekomst av serinkodonene TCG og TCA med henholdsvis AGC og AGT. Teamet erstattet også hvert TAG-kodon, som signaliserte en stopp, med TAA. Til slutt, bemerker New York Times 'Zimmer, brukte det omkodede DNA fire serinkodoner i stedet for fire og to stoppkodoner i stedet for tre. Heldigvis trengte ikke forskerne å fullføre dette arbeidet for hånd. I stedet gjorde de 18 214 utskiftninger ved å behandle E. coli- koden som en enorm tekstfil og utføre en søk-og-erstatt-funksjon.
Å overføre dette syntetiske DNA til bakteriene viste seg å være en vanskeligere oppgave. Gitt genomets lengde og kompleksitet, klarte ikke teamet å introdusere det i en celle i ett forsøk; i stedet nærmet forskerne jobben i trinn, og omhyggelig brøt genomet i stykker og transplanterte det til levende bakterier bit for bit.
Forskernes prestasjoner er todelt, sier Chin i et intervju med Antonio Regalado fra MIT Technology Review . Ikke bare er det redesignede genomet en "teknisk prestasjon", men det "forteller deg noe grunnleggende om biologi og hvor formbar den genetiske koden egentlig er."
I følge Guardians prøve kan forskningen hjelpe forskere med å lage virusresistente bakterier utstyrt for bruk i biofarmasøytisk industri; E. coli brukes allerede til å lage insulin og medisinske forbindelser som behandler kreft, multippel sklerose, hjerteinfarkt og øyesykdom, men takket være ikke-syntetisk DNAs følsomhet for visse virus, kan produksjonen lett stoppes.
En annen nøkkelimplikasjon av studien sentrerer om aminosyrer. Som BBC News 'Roland Pease skriver, etterlater E. coli- genomets bruk av 61 av 64 mulige kodoner tre åpne for omprogrammering, og åpner døren for "unaturlige byggesteiner" som er i stand til å utføre tidligere umulige funksjoner.
I samtaler med Zimmer konkluderte Finn Stirling, en syntetisk biolog ved Harvard Medical School, som ikke var involvert i den nye forskningen, "I teorien kan du kode noe."
