Vědci z Anglie Medical Research Council Laboratory of Molecular Biology úspěšně vytvořili bakterie E. coli s úplně lidskou DNA, označující milník v rostoucím poli syntetické biologie a připravují cestu pro budoucí inovace postavené na tzv. „Návrhářských“ bakteriích .
Podle nové studie publikované v časopise Nature je syntetický genom zdaleka největší svého druhu. Produkt dvouleté výzkumné kampaně, nově navržená DNA, sestává ze čtyř milionů segmentů - čtyřikrát více, než předchozí držitel záznamu. Nejpůsobivější je, že bakterie obsahují pouze 61 kodonů, na rozdíl od 64 nalezených v téměř všech živých tvorech. Navzdory této zdánlivé disparitě se zdá, že syntetické bakterie fungují podobně jako normální E. coli. Hlavní rozdíly, jak hlásí Carl Zimmer z New York Times, jsou pomalejší růst a delší délka.
"Nebylo zcela jasné, zda je možné vytvořit tak velký genom a zda je možné ho tolik změnit, " říká spoluautor studie Jason Chin, biolog z University of Cambridge, Ian Sample.
Ale jak Tom Ellis, ředitel Centra pro syntetickou biologii na Imperial College London a recenzent studie, vysvětluje Ryizu Mandelbaumovi Gizmodovi, úsilí týmu nakonec vyvrcholilo „tour de force“ pro toto pole: „Syntetizovali, postavený a ukázal, že syntetický genom se 4 miliony párů bází by mohl fungovat, “říká Ellis. "Je to víc, než kdokoli předtím."
Vědci musí manipulovat se 64 kodony, nebo třípísmennými kombinacemi molekul DNA A, T, C a G - zkratkami pro adenin, thymin, cytosin a guanin - které pohání všechny živé organismy, aby „překódovaly“ genom. Protože každá ze tří pozic v kodonu může pojmout jakoukoli ze čtyř molekul, existuje celkem 64 možných kombinací (4 x 4 x 4). Tyto kombinace zase odpovídají specifickým aminokyselinám nebo organickým sloučeninám, které vytvářejí proteiny nezbytné pro život. Například TCA odpovídá s aminokyselinou serinem, zatímco AAG specifikuje lysin. TAA působí jako stopová známka druhu a signalizuje organismu, aby přestal přidávat aminokyseliny do vyvíjejícího se proteinu, vysvětluje Sharon Begley STAT.
K tomuto již tak složitému procesu patří další úlovek: Vzhledem k tomu, že s genetickým kódem je spojeno pouze 20 aminokyselin, může více kodonů odpovídat jedné kyselině. Například serin je spojen nejen s TCA, ale také s AGT, AGC, TCT, TCC a TCG. Jak píše John Timmer Ars Technica, nesoulad počtu kodonů oproti aminokyselinám způsobuje, že 43 kodonů je do značné míry cizí. Ačkoli buňky používají tyto zvláštní sady jako stop kódy, regulační nástroje a účinnější cesty k kódování specifického proteinu, skutečností zůstává, že mnoho z nich je nadbytečných.
Stanovení toho, jak redundantní byly tyto extra kodony, byly podrobeny rozsáhlým pokusům a omylům. Chin řekne Begleymu: „Existuje mnoho možných způsobů, jak můžete genom překódovat, ale mnoho z nich je problematických: Buňka umírá.“
Aby vytvořil úspěšný syntetický genom, nahradil Chin a jeho kolegové každou instanci serinových kodonů TCG a TCA za AGC a AGT. Tým také nahradil každý TAG kodon, signalizující zastávku, TAA. Nakonec, v poznámce The New York Times 'Zimmer, kódovaná DNA používala čtyři serinové kodony spíše než čtyři a dva stop kodony spíše než tři. Naštěstí vědci nemuseli tuto práci dokončovat ručně. Místo toho provedli nahrazení 18 214 zpracováním kódu E. coli jako obrovského textového souboru a provedením funkce hledání a nahrazení.
Přenos této syntetické DNA do bakterií se ukázal jako obtížnější úkol. Vzhledem k délce a složitosti genomu jej tým nedokázal v jednom pokusu představit do buňky; místo toho vědci přistoupili k práci ve stádiích, pečlivě rozdělili genom na kousky a přesadili je do živých bakterií kousek po kousku.
Úspěch vědců je dvojí, říká Chin v rozhovoru s Antonio Regalado z MIT Technology Review . Přepracovaný genom není jen „technickým úspěchem“, ale také „říká vám něco o biologii a o tom, jak je genetický kód poddajný.“
Podle Guardianova vzorku může výzkum pomoci vědcům vytvořit bakterie odolné vůči virům vybavené pro použití v biofarmaceutickém průmyslu; E. coli se již používá k výrobě inzulínu a léčivých látek, které léčí rakovinu, roztroušenou sklerózu, srdeční infarkty a oční choroby, ale díky citlivosti nesyntetické DNA na určité viry lze snadno zastavit produkci.
Další klíčová implikace studijních center se soustředí na aminokyseliny. Jak píše BBC News 'Roland Pease, použití 61 z 64 možných kodonů v genomu E. coli ponechává tři otevřené pro přeprogramování, což otevírá dveře pro „nepřirozené stavební bloky“ schopné provádět dříve nemožné funkce.
Finn Stirling, syntetický biolog na Harvardské lékařské fakultě, který se nezúčastnil nového výzkumu, uzavírá: „Teoreticky můžete překonat cokoli.“
