Lidé využívali to, co vědí o biologickém světě, aby vyráběli věci po celá staletí - od piva po antibiotika. Ale co kdybyste mohli manipulovat s tímto světem na velmi základní genetické úrovni, abyste vytvořili něco, co byste potřebovali? Programování buňky na výrobu léku, generování energie nebo napadení patogenu v těle se jeví jako látka science fiction, ale to je to, co slibuje vznikající pole syntetické biologie.
Související obsah
- Inženýrské kvasinky by mohly otevřít trh pro kutily proti bolesti
- Může být Panda hovno tajemstvím efektivnějšího biopaliva?
- Kvasinky jižní divočiny
- Big Brew-ha-ha: Vědci objevují Lager's Wild Yeast
Na velmi základní úrovni je syntetická biologie jako stavba komplexní struktury mimo Legos. Stejně jako inženýr Lego musí zjistit, jak všechny malé bloky zapadají do sebe, vědci musí přesně zjistit, jaké genetické prvky, které potřebují a jak tyto prvky zapadají, aby vytvořily tyto biologické struktury, ať už je to gen, cesta zahrnující několik genů nebo dokonce celý chromozom - struktura, která obsahuje stovky genů.
Za posledních sedm let mezinárodní tým vědců přišel na to, jak postavit kvasnicový chromozom od základu. Nyní ji úspěšně postavili a integrovali ji do živé kvasinkové buňky. Jejich práce, publikovaná dnes ve vědě, představuje významný pokrok v oblasti syntetické biologie - a opatrný krok směrem ke schopnosti vytvářet značkové genomy pro rostliny a zvířata.
"Je to nejrozsáhlejší změněný chromozom, jaký byl kdy postaven. Ale milníkem, který se opravdu počítá, je jeho integrace do živé kvasinkové buňky, " uvedl Jef Boeke, genetik v Langone Medical Center NYU a spoluautor studie.
Proč kvasinky? Za prvé, lidé mají s houbami dlouhý vztah. Pivovarské kvasnice ( Saccharomyces cerevisiae ) se používají k výrobě piva a pečení chleba již od starověku. Dnešní moderní průmyslová biotechnologická oblast začíná používat kvasinky k výrobě vakcín, léčiv a biopaliv. V moderní biologické laboratoři jsou kvasinky také modelovým organismem, protože její buňky fungují podobně jako lidské buňky. Lidé i kvasinky jsou eukaryoty, což znamená, že jejich buňky obsahují centrální náboj nazývaný jádro, které ukládá DNA v těsně navinutých chromozomech. Díky tomu víme hodně o biologii a genetice kvasinek.
Genetik Jef Boeke zkoumá talíř kvasinek obsahující syntetickou verzi specifického chromozomu (Foto: NYU Langone) U organismů bez buněčného jádra však syntetická biologie již vytvořila celé genomy. Vědci vyvinuli a rozmnožili viry asi deset let. V roce 2008 vědci z Institutu J. Craiga Ventera v Marylandu vybudovali úplný bakteriální genom a pokračovali v produkci prvního živého organismu se syntetickým genomem (jednobuněčná bakterie). Ale takový mikrobiální genom obsahuje pouze jeden chromozom, zatímco lidé to mají 23 párů a pivovarských kvasnic má 16. Mít tolik genů ve hře může znamenat mnohem větší variabilitu, takže vyladění jednoho genu by mohlo mít dalekosáhlé důsledky napříč genomem.
Jeden z kvasinkových chromozomů například obsahuje gen pro typ páření kvasinek (jakýsi druh pohlaví), který sám o sobě řídí několik dalších genů napříč genomem. Díky tomu byl Boeke a jeho kolegové atraktivním výchozím bodem. Na počítači navrhli, jak chtějí vypadat jejich syntetická verze tohoto chromozomu. Poté na univerzitě Johna Hopkinse v Baltimoru potřeboval Boekeho tým DNA, a tak začal v roce 2007 získávat pomoc vysokoškoláků prostřednictvím kurzu „Build-A-Genome“. Studenti spojili nukleotidy, sloučeniny, které tvoří řetězce DNA, aby se zkrátily úryvky genetické sekvence nebo „stavební bloky“.
K přilepení těchto stavebních bloků do větších „minichunků“ vědci použili různé enzymatické ošetření a dokonce použili vlastní genetické montážní stroje kvasinek. Nakonec využili tendenci kvasinek rekombinovat kusy DNA do svého vlastního genomu, aby se shromáždili, kus po kusu. Kvasinky nakonec nahradily původní vybraný chromozom syntetickou verzí. Boeke přirovnává celý proces k vytváření knihy: začnete tím, že vytvoříte slova, poté odstavce, stránky, kapitoly a nakonec knihu samotnou.
Jakmile to postavili, chtěl Boeke a jeho kolegové vyzkoušet funkčnost syntetického chromozomu v buňkách kvasinek. Vědci navrhli chromozóm tak, aby obsahoval speciální markery na genech, o nichž se domnívají, že jsou nepodstatné - markery byly zkonstruovány tak, aby mohly být spuštěny enzymem k rozmělňování, mazání nebo duplikování genů.
Tým poté spustil markery systematicky, aby provedl více než 50 000 změn syntetického chromozomu v konkrétních bodech kódu - riskantní podnikání, protože náhodné změny by mohly snadno zabít kvasinkovou buňku. "Je to velmi perzistentně upravený chromozom, " říká Boeke. Když změnili nebo odstranili geny, některé buňky rostly lépe než jiné v různých podmínkách, ale všechny buňky rostly.
Kromě toho, bez ohledu na to, jak vědci upravili podmínky růstu, buňky se syntetickým chromozomem stále plodily kvasinkové kolonie. „Navzdory všem těmto změnám jsme vlastně dostali kvasinky, které vypadají jako kvasinky, voní jako kvasinky a alkohol způsobují jako kvasinky, říká Boeke.“ Ve skutečnosti to nedokážeme rozeznat, a přesto je to tak „To znamená, že kvasnicový genom - alespoň části, které vědci vyvolali ke změně - je vysoce odolný a dokáže zvládnout mnoho mutací, což je z pohledu genetického inženýrství docela působivé.
Mapa konstruktérského kvasinkového chromozomu postaveného Boekeem a jeho kolegy. (Obrázek: Boeke et al.) „Tato práce uvádí první návrhářský eukaryotický chromozom, který byl syntetizován od nuly, což je důležitý krok směrem ke konstrukci návrhářského eukaryotického genomu. Otevírá dveře pro řešení mnoha vědeckých a technických otázek, “říká Huimin Zhao, biomolekulární inženýr na University of Illinois v Urbana-Champaign.
Například syntetický chromozom vyrobený týmem Boeke je o 14 procent menší než normální chromozom, který se snažili duplikovat. Jaký je tedy nejmenší genom, který by byl zapotřebí k vytvoření fungující kvasinkové buňky? Na základě zde použitých metod mohou začít testovat tyto otázky v laboratoři. A ačkoli výzkumné cesty oplývají, Boeke říká, že dalším krokem pro jeho tým bude použití těchto technik k syntéze celého kvasinkového genomu.
Po syntéze genomu mohli vědci teoreticky použít markery k vyladění různých genů ve větším měřítku. Tento mohl jim dovolit přizpůsobte kvasinkové buňky syntetickým genomům vhodným pro specifické účely.
Například některé biotechnologické firmy již vložily geny do rychle se replikujících kvasinkových buněk, aby vytvořily velká množství syntetické verze artemisininu léčeného malárií, a vývoj výrobního genomu by mohl zlepšit výrobní proces. Jak by zlepšilo výrobní proces vývojový genom? Jaké nové druhy léčivých přípravků lze vyrobit se speciálně přizpůsobenými kvasinkami? Nebo na méně altruistické úrovni, jaké nové druhy piv? Ať už hledáte léčbu lidských nemocí nebo chcete jen uspokojivý chlad na konci dne, syntetická biologie je nyní o krok blíž, aby vám pomohla ven.
