Forskere fra Englands Medical Research Council Laboratory of Molecular Biology har med succes skabt E. coli- bakterier med fuldstændigt menneskeskabt DNA, hvilket markerer en milepæl i det spirende felt inden for syntetisk biologi og baner vejen for fremtidig innovation bygget på såkaldte “designer” -bakterier .
Ifølge en ny undersøgelse, der er offentliggjort i tidsskriftet Nature, er det syntetiske genom langt den største af sin art. Produktet fra en to-årig forskningskampagne, det redesignede DNA består af fire millioner segmenter - fire gange mere end den tidligere rekordindehaver. Måske mest imponerende indeholder bakterierne kun 61 kodoner i modsætning til de 64, der findes i næsten alle levende væsener. På trods af denne tilsyneladende forskel ser de syntetiske bakterier ud til at fungere meget som normal E. coli. De vigtigste forskelle, som New York Times 'Carl Zimmer rapporterer, er en langsommere vækstrate og længere længde.
”Det var helt uklart, om det var muligt at fremstille et genom så stort, og om det var muligt at ændre det så meget, ” fortæller medforfatter Jason Chin, en biolog fra University of Cambridge, til Guardian 's Ian Sample.
Men som Tom Ellis, direktør for Center for Synthetic Biology ved Imperial College London og en korrekturlæser af undersøgelsen, forklarer til Gizmodos Ryan Mandelbaum, kulminerede holdets bestræbelser i sidste ende i en "tour de force" for feltet: "De syntetiserede, bygget og viste, at et syntetisk genom på 4 millioner basepar kunne fungere, ”siger Ellis. ”Det er mere, end nogen har gjort før.”
For at "genkode" et genom skal forskere manipulere 64 kodoner eller kombinationer af tre bogstaver af DNA-molekylerne A, T, C og G - forkortelse for adenin, thymin, cytosin og guanin - der styrker alle levende organismer. Da hver af de tre positioner i et kodon kan indeholde en hvilken som helst af de fire molekyler, er der 64 samlede mulige kombinationer (4 x 4 x 4). Disse kombinationer svarer til gengæld med specifikke aminosyrer eller organiske forbindelser, der bygger de nødvendige proteiner til livet. TCA, for eksempel, stemmer overens med aminosyren serin, mens AAG specificerer lysin. TAA fungerer som et stoptegn for slags og signaliserer organismen for at stoppe med at tilsætte aminosyrer til et udviklende protein, forklarer STATs Sharon Begley.
Der er endnu en fangst af denne allerede komplekse proces: Da der kun er 20 aminosyrer forbundet med den genetiske kode, kan flere kodoner svare til en syre. Serine er for eksempel forbundet med ikke kun TCA, men AGT, AGC, TCT, TCC og TCG. Som John Timmer skriver for Ars Technica, uoverensstemmelsen i antallet af kodoner i forhold til aminosyrer gør 43 kodoner stort set uvedkommende. Selvom celler bruger disse ekstra sæt som stopkoder, reguleringsværktøjer og mere effektive veje mod kodning af et specifikt protein, forbliver det faktum, at mange er overflødige.
At bestemme, hvor overflødige disse ekstra kodoner blev taget, blev omfattende forsøg og fejl. Chin fortæller Begley, "Der er mange mulige måder, du kan kode om et genom på, men mange af dem er problematiske: Cellen dør."
For at skabe det succesrige syntetiske genom erstattede Chin og hans kolleger hvert tilfælde af serinkodonerne TCG og TCA med henholdsvis AGC og AGT. Holdet erstattede også hvert TAG-kodon, der signaliserede et stop, med TAA. I sidste ende, bemærker New York Times 'Zimmer, anvendte det omkodede DNA fire serinkodoner snarere end fire og to stopkodoner snarere end tre. Heldigvis behøvede forskerne ikke at udføre dette arbejde i hånden. I stedet lavede de 18.214 udskiftninger ved at behandle E. coli- koden som en enorm tekstfil og udføre en søg-og-udskift-funktion.
Overførsel af dette syntetiske DNA til bakterierne viste sig at være en vanskeligere opgave. I betragtning af genomets længde og kompleksitet var teamet ikke i stand til at introducere det i en celle i et forsøg; i stedet nærmede forskerne jobbet i trin, og omhyggeligt knækkede genomet i stykker og transplanterede det til levende bakterier bit for bit.
Forskernes præstation er todelt, siger Chin i et interview med MIT Technology Review 's Antonio Regalado. Ikke kun er det redesignede genom et "teknisk resultat", men det fortæller dig også noget grundlæggende om biologi og hvor formbar den genetiske kode virkelig er. "
I henhold til Guardian 's Sample kunne forskningen hjælpe forskere med at skabe virusresistente bakterier udstyret til brug i den biofarmaceutiske industri; E. coli bruges allerede til at fremstille insulin og medicinske forbindelser, der behandler kræft, multippel sklerose, hjerteanfald og øjensygdom, men takket være ikke-syntetisk DNA's følsomhed over for visse vira kan produktionen let stoppes.
En anden vigtig implikation af undersøgelsen er centreret om aminosyrer. Som BBC News 'Roland Pease skriver, efterlader E. coli- genomets brug af 61 ud af 64 mulige kodoner tre åbne for omprogrammering, hvilket åbner døren for “unaturlige byggesten”, der er i stand til at udføre tidligere umulige funktioner.
I en tale med Zimmer konkluderede Finn Stirling, en syntetisk biolog ved Harvard Medical School, der ikke var involveret i den nye forskning, "I teorien kunne du kode om noget."
