https://frosthead.com

Forskere bygger et gærkromosom fra ridser. Næste op? Designer Genomes

Mennesker har brugt det, de ved om den biologiske verden, til at fremstille ting i århundreder - fra øl til antibiotika. Men hvad nu hvis du kunne manipulere denne verden på et meget grundlæggende, genetisk niveau for at fremstille noget, du har brug for? Programmering af en celle til at producere et medikament, generere energi eller angribe et patogen i kroppen virker som tingene af science fiction, men det er, hvad det nye felt af syntetisk biologi lover.

Relateret indhold

  • Ingeniørgær kunne åbne et DIY-smertestillende marked
  • Kunne Panda Poop være hemmeligheden bag mere effektivt biobrændstof?
  • Gær af det sydlige vilde
  • Big Brew-ha-ha: Forskere opdager Lagers vilde gær

På et meget grundlæggende niveau er syntetisk biologi på samme måde som at opbygge en kompleks struktur ud fra Legos. Ligesom Lego-ingeniøren skal finde ud af, hvordan alle de små blokke passer sammen, er forskere nødt til at finde ud af, hvilke genetiske elementer de har brug for, og hvordan disse elementer passer sammen for at opbygge disse biologiske strukturer, hvad enten det er et gen, en vej, der involverer et par gener eller endda et fuldt kromosom - en struktur, der indeholder hundreder af gener.

I de sidste syv år har et internationalt team af forskere fundet ud af, hvordan man konstruerer et gærkromosom fra bunden af. Nu har de med succes bygget en og integreret den i en levende gærcelle. Deres arbejde, der offentliggøres i dag i Science, markerer et markant fremskridt inden for syntetisk biologi - og et forsigtigt skridt mod evnen til at skabe designergenomer til planter og dyr.

"Det er det mest ændrede kromosom, der nogensinde er blevet bygget. Men den milepæl, der virkelig tæller, er at integrere det i en levende gærcelle, " siger Jef Boeke, en genetiker ved NYUs Langone Medical Center og en medforfatter til undersøgelsen i en erklæring.

Hvorfor gær? For det første har mennesker et langt forhold til svampene. Bryggerigær ( Saccharomyces cerevisiae ) er blevet brugt til at fremstille øl og bage brød siden antikken. I dag begynder det moderne industrielle bioteknologifelt at bruge gær til at fremstille vacciner, medicin og biobrændstoffer. I det moderne biologilaboratorium er gær også en modelorganisme, fordi dens celler fungerer på samme måde som humane celler. Både mennesker og gær er eukaryoter, hvilket betyder, at deres celler indeholder et centralt nav, der kaldes en kerne, der opbevarer DNA i tæt sårede kromosomer. Som et resultat ved vi meget om gærbiologi og genetik.

Genetiker Jef Boeke undersøger en plade af gærkolonier, der indeholder en syntetisk version af et specifikt kromosom Genetiker Jef Boeke undersøger en plade af gærkolonier, der indeholder en syntetisk version af et specifikt kromosom (Foto: NYU Langone)

For organismer uden en cellekerne har syntetisk biologi allerede produceret hele genomer. Forskere har konstrueret og gengivet vira i ca. et årti. I 2008 byggede forskere ved J. Craig Venter-instituttet i Maryland et fuldt bakteriegenom og fortsatte med at producere den første levende organisme med et syntetisk genom (en encellet bakterie). Men et sådant mikrobielt genom indeholder kun et kromosom, mens mennesker har 23 par og bryggerigær har 16. At have så mange gener i spil kan betyde meget mere variation, således at finjustering af et gen kan have vidtrækkende konsekvenser på tværs af genomet.

Et af gærens kromosomer indeholder for eksempel et gen til gær-parringstype (slags lignende køn), som i sig selv styrer flere andre gener på tværs af genomet. Det gjorde det til et attraktivt udgangspunkt for Boeke og hans kolleger. På en computer designede de, hvad de ønskede, at deres syntetiske version af dette kromosom skulle se ud. Derefter på Johns Hopkins University i Baltimore, brugte Boeke's team brug for DNA, så han begyndte at indrømme hjælp fra bachelorstuderende gennem et "Build-A-Genome" -kursus i 2007. Studerende syede sammen nukleotider, forbindelserne, der danner DNA-strenge, for at gøre korte uddrag af genetisk sekvens eller "byggesten".

For at lime disse byggesten til større "minichunks" brugte forskerne forskellige enzymbehandlinger og brugte endda gærens eget genetiske samlingsmaskineri. Til sidst udnyttede de gærens tendens til at rekombinere DNA-stykker i sit eget genom til at samles, bid med bit. Til sidst erstattede gæren det originale kromosom, der blev valgt med den syntetiske version. Boeke sammenlignes hele processen med at opbygge en bog: du starter med at lave ord, derefter afsnit, sider, kapitler og til sidst selve bogen.

Da de først byggede det, ønskede Boeke og hans kolleger at teste funktionaliteten af ​​det syntetiske kromosom i gærceller. Forskerne designet kromosomet til at inkludere specielle markører på gener, der antages at være ikke-væsentlige - markørerne blev konstrueret, så de kunne udløses af et enzym til at krydre, slette eller duplikere gener.

Holdet udløste derefter markørerne systematisk for at foretage mere end 50.000 ændringer af det syntetiske kromosom på specifikke punkter i koden - risikabel forretning, fordi tilfældige ændringer let kunne dræbe gærcellen. "Det er et meget gennemgribende redigeret kromosom, " siger Boeke. Når de ændrede eller slettede gener, voksede nogle celler bedre end andre under forskellige betingelser, men alle cellerne voksede.

Ligeledes, uanset hvordan forskerne finjusterede vækstbetingelser, celler med det syntetiske kromosom stadig spawn gær kolonier. "På trods af alle disse ændringer har vi faktisk fået en gær, der ligner en gær, lugter som en gær og fremstiller alkohol som en gær, " siger Boeke. "Vi kan ikke rigtig skille den fra hinanden, og alligevel er det så anderledes. "Dette betyder, at gærgenomet - i det mindste de dele, som forskerne udløste til at ændre - er meget modstandsdygtigt og kan håndtere en masse mutation, et fund, der er temmelig imponerende set fra et genteknisk perspektiv.

Gærkromosomkort Et kort over designergærkromosomet bygget af Boeke og hans kolleger. (Billede: Boeke et al.)

”Dette arbejde rapporterer det første designer-eukaryotiske kromosom, der er blevet syntetiseret fra bunden, hvilket er et vigtigt skridt i retning af konstruktionen af ​​et designer-eukaryot genom. Det åbner døre for at tackle mange videnskabelige og tekniske spørgsmål, ”siger Huimin Zhao, en biomolekylær ingeniør ved University of Illinois i Urbana-Champaign.

F.eks. Er det syntetiske kromosom, der er lavet af Boeke's team, 14 procent mindre end det normale kromosom, de søgte at duplikere. Så hvad er det mindste genom, som man har brug for for at fremstille en fungerende gærcelle? Baseret på de her anvendte metoder kan de begynde at teste disse spørgsmål i laboratoriet. Og selvom forskningsforløbet bugner, siger Boeke, at det næste skridt for hans team vil være at bruge disse teknikker til at syntetisere hele gærgenomet.

Efter syntese af genomet kunne forskere i teorien bruge markørerne til at finpudse forskellige gener i større skala. Dette kunne tillade dem det tilpasse gærceller med syntetiske genomer, der er egnede til specifikke formål.

For eksempel har nogle bioteknologivirksomheder allerede indsat gener i hurtigt replikerende gærceller for at producere store mængder af en syntetisk version af malaria-medikamentet artemisinin, og konstruktion af et designergenom kunne forbedre fremstillingsprocessen. Hvordan ville konstruktion af et designergenom forbedre fremstillingsprocessen? Hvilke nye typer medicin kunne fremstilles med specielt skræddersyet gær? Eller på et mindre altruistisk niveau, hvilke nye slags øl? Uanset om du ønsker at behandle menneskelige sygdomme eller bare ønsker en tilfredsstillende forkølelse i slutningen af ​​dagen, er syntetisk biologi nu et skridt tættere på at hjælpe dig.

Forskere bygger et gærkromosom fra ridser. Næste op? Designer Genomes