Η συνθετική βιολογία ήδη ξαναγράφει τη ζωή.

Στα τέλη του 2023, οι επιστήμονες αποκάλυψαν κύτταρα ζύμης με το μισό γενετικό τους σχέδιο να έχει αντικατασταθεί από τεχνητό DNA. Ήταν μια «κομβική» στιγμή σε μια Έργο διάρκειας 18 ετών να σχεδιάσουν εναλλακτικές εκδοχές κάθε χρωμοσώματος ζύμης. Παρά το γεγονός ότι είχαν επτάμισι συνθετικά χρωμοσώματα, τα κύτταρα αναπαράγονταν και ευδοκίμησαν.

Μια νέα μελέτη μας ανεβάζει την εξελικτική σκάλα σε φυτά σχεδιαστών.

Για ένα έργο που ονομάζεται SynMoss, μια ομάδα στην Κίνα επανασχεδίασε μέρος ενός μεμονωμένου χρωμοσώματος σε έναν τύπο βρύου. Το μερικώς συνθετικό φυτό που προέκυψε αναπτύχθηκε κανονικά και παρήγαγε σπόρια, καθιστώντας το ένα από τα πρώτα ζωντανά όντα με πολλαπλά κύτταρα που έφεραν ένα μερικώς τεχνητό χρωμόσωμα.

Οι προσαρμοσμένες αλλαγές στα χρωμοσώματα του φυτού είναι σχετικά μικρές σε σύγκριση με τη συνθετική μαγιά. Αλλά είναι ένα βήμα προς τον πλήρη επανασχεδιασμό των γονιδιωμάτων σε οργανισμούς υψηλότερου επιπέδου.

Σε μια συνέντευξη με Επιστήμη, ο συνθετικός βιολόγος Δρ. Τομ Έλις από το Imperial College του Λονδίνου είπε ότι είναι «ένα κάλεσμα αφύπνισης για τους ανθρώπους που πιστεύουν ότι τα συνθετικά γονιδιώματα είναι μόνο για μικρόβια».

Αναβάθμιση Ζωής

Οι προσπάθειες για να ξαναγράψουμε τη ζωή δεν είναι μόνο για να ικανοποιήσουν την επιστημονική περιέργεια.

Η ενασχόληση με το DNA μπορεί να μας βοηθήσει να αποκρυπτογραφήσουμε το εξελικτικό ιστορικό και να εντοπίσουμε κρίσιμα τμήματα του DNA που διατηρούν σταθερά τα χρωμοσώματα ή προκαλούν ασθένειες. Τα πειράματα θα μπορούσαν επίσης να μας βοηθήσουν να κατανοήσουμε καλύτερα τη «σκοτεινή ύλη» του DNA. Σπαρμένες σε όλο το γονιδίωμα, μυστηριώδεις αλληλουχίες που δεν κωδικοποιούν πρωτεΐνες έχουν μπερδέψει εδώ και καιρό τους επιστήμονες: Είναι χρήσιμες ή απλώς υπολείμματα της εξέλιξης;

Οι συνθετικοί οργανισμοί διευκολύνουν επίσης τη μηχανική των ζωντανών οργανισμών. Τα βακτήρια και η μαγιά, για παράδειγμα, χρησιμοποιούνται ήδη για την παρασκευή μπύρας και την άντληση φαρμάκων που σώζουν ζωές όπως η ινσουλίνη. Με την προσθήκη, την εναλλαγή ή τη διαγραφή τμημάτων του γονιδιώματος, είναι δυνατό να δοθούν σε αυτά τα κύτταρα νέες δυνατότητες.

Σε μια πρόσφατη μελέτηΓια παράδειγμα, οι ερευνητές επαναπρογραμμάτισαν τα βακτήρια για να συνθέσουν πρωτεΐνες χρησιμοποιώντας δομικά στοιχεία αμινοξέων που δεν φαίνονται στη φύση. Σε ένα άλλο Μελέτη, μια ομάδα μετέτρεψε τα βακτήρια σε Εξολοθρευτές κοπής πλαστικών που ανακυκλώνουν πλαστικά απόβλητα σε χρήσιμα υλικά.

Αν και είναι εντυπωσιακά, τα βακτήρια αποτελούνται από κύτταρα σε αντίθεση με τα δικά μας - το γενετικό τους υλικό επιπλέει γύρω, καθιστώντας τα δυνητικά πιο εύκολο να επανακαλωδιωθούν.

Η Synthetic Yeast Project ήταν μια σημαντική ανακάλυψη. Σε αντίθεση με τα βακτήρια, η ζύμη είναι ένα ευκαρυωτικό κύτταρο. Τα φυτά, τα ζώα και οι άνθρωποι ανήκουν σε αυτήν την κατηγορία. Το DNA μας προστατεύεται μέσα σε μια φυσαλίδα που μοιάζει με καρύδι που ονομάζεται πυρήνας, γεγονός που καθιστά πιο δύσκολο για τους συνθετικούς βιολόγους να το τροποποιήσουν.

Και όσον αφορά τους ευκαρυώτες, τα φυτά είναι πιο δύσκολο να χειριστούν από τη ζύμη - έναν μονοκύτταρο οργανισμό - καθώς περιέχουν πολλαπλούς τύπους κυττάρων που συντονίζουν την ανάπτυξη και την αναπαραγωγή. Οι χρωμοσωμικές αλλαγές μπορούν να διαδραματιστούν διαφορετικά ανάλογα με το πώς λειτουργεί κάθε κύτταρο και, με τη σειρά τους, να επηρεάσουν την υγεία του φυτού.

«Η σύνθεση του γονιδιώματος σε πολυκύτταρους οργανισμούς παραμένει αχαρτογράφητη περιοχή», έγραψε η ομάδα στην εργασία της.

Αργά και σταθερά

Αντί να χτίσει ένα εντελώς νέο γονιδίωμα από την αρχή, η ομάδα ασχολήθηκε με το υπάρχον γονιδίωμα βρύου.

Αυτό το πράσινο fuzz έχει μελετηθεί εκτενώς στο εργαστήριο. Μια πρώιμη ανάλυση από το γονιδίωμα του βρύου διαπιστώθηκε ότι έχει 35,000 πιθανά γονίδια—εκπληκτικά πολύπλοκα για ένα φυτό. Και τα 26 από τα χρωμοσώματά του έχουν ολοκληρωθεί αλληλουχία.

Για αυτόν τον λόγο, το φυτό είναι ένα «ευρέως χρησιμοποιούμενο μοντέλο σε εξελικτικές αναπτυξιακές και κυτταρικές βιολογικές μελέτες», έγραψε η ομάδα.

Τα γονίδια βρύου προσαρμόζονται εύκολα στις περιβαλλοντικές αλλαγές, ειδικά σε αυτές που επιδιορθώνουν τη βλάβη του DNA από το ηλιακό φως. Σε σύγκριση με άλλα φυτά -όπως το κάρδαμο θαλή, ένα άλλο μοντέλο που προτιμούν οι βιολόγοι- το βρύο έχει την ενσωματωμένη ικανότητα να ανέχεται μεγάλες αλλαγές στο DNA και να αναγεννάται πιο γρήγορα. Και οι δύο πτυχές είναι «ουσιώδεις» κατά την επανεγγραφή του γονιδιώματος, εξήγησε η ομάδα.

Άλλο προνόμιο; Τα βρύα μπορούν να αναπτυχθούν σε πλήρες φυτό από ένα μόνο κύτταρο. Αυτή η ικανότητα είναι ένα ονειρικό σενάριο για συνθετικούς βιολόγους, επειδή η αλλαγή γονιδίων ή χρωμοσωμάτων σε ένα μόνο κύτταρο μπορεί ενδεχομένως να αλλάξει έναν ολόκληρο οργανισμό.

Όπως τα δικά μας, τα φυτικά χρωμοσώματα μοιάζουν με «Χ» με δύο σταυρωμένα χέρια. Για αυτήν τη μελέτη, η ομάδα αποφάσισε να ξαναγράψει τον βραχύτερο βραχίονα χρωμοσώματος στο φυτό - το χρωμόσωμα 18. Ήταν ακόμα ένα έργο μαμούθ. Προηγουμένως, η μεγαλύτερη αντικατάσταση ήταν μόνο περίπου 5,000 γράμματα DNA. η νέα μελέτη έπρεπε να αντικαταστήσει πάνω από 68,000 γράμματα.

Η αντικατάσταση των φυσικών αλληλουχιών DNA με «τα επανασχεδιασμένα μεγάλα συνθετικά θραύσματα παρουσίασε μια τρομερή τεχνική πρόκληση», έγραψε η ομάδα.

Ακολούθησαν μια στρατηγική διαίρει και βασίλευε. Πρώτα σχεδίασαν μεσαίου μεγέθους κομμάτια συνθετικού DNA πριν τα συνδυάσουν σε ένα ενιαίο «μέγα-κομμάτι» DNA του βραχίονα του χρωμοσώματος.

Το πρόσφατα σχεδιασμένο χρωμόσωμα είχε αρκετές αξιοσημείωτες αλλαγές. Του αφαιρέθηκαν τρανσποζόνια, ή «γονίδια άλματος». Αυτά τα μπλοκ DNA κινούνται γύρω από το γονιδίωμα και οι επιστήμονες εξακολουθούν να συζητούν εάν είναι απαραίτητα για φυσιολογικές βιολογικές λειτουργίες ή εάν συμβάλλουν στην εμφάνιση ασθενειών. Η ομάδα πρόσθεσε επίσης «ετικέτες» DNA στο χρωμόσωμα για να το επισημάνει ως συνθετικό και έκανε αλλαγές στον τρόπο με τον οποίο ρυθμίζει την παραγωγή ορισμένων πρωτεϊνών.

Συνολικά, οι αλλαγές μείωσαν το μέγεθος του χρωμοσώματος κατά σχεδόν 56 τοις εκατό. Αφού εισήγαγε το χρωμόσωμα σχεδιαστή σε κύτταρα βρύου, η ομάδα τα γαλούχησε σε ενήλικα φυτά.

Ένα ημισυνθετικό άνθος

Ακόμη και με ένα πολύ επεξεργασμένο γονιδίωμα, τα συνθετικά βρύα ήταν εκπληκτικά φυσιολογικά. Τα φυτά αναπτύχθηκαν εύκολα σε φυλλώδεις θάμνους με πολλαπλά κλαδιά και τελικά παρήγαγαν σπόρια. Όλες οι αναπαραγωγικές δομές ήταν σαν αυτές που βρέθηκαν στη φύση, υποδηλώνοντας ότι τα ημισυνθετικά φυτά είχαν έναν κανονικό κύκλο ζωής και μπορούσαν ενδεχομένως να αναπαραχθούν.

Τα φυτά διατήρησαν επίσης την ανθεκτικότητά τους σε εξαιρετικά αλμυρά περιβάλλοντα - μια χρήσιμη προσαρμογή που παρατηρείται επίσης στα φυσικά τους αντίστοιχα.

Αλλά τα συνθετικά βρύα είχαν κάποιες απροσδόκητες επιγενετικές ιδιορρυθμίες. Η επιγενετική είναι η επιστήμη του πώς τα κύτταρα ενεργοποιούν ή απενεργοποιούν τα γονίδια. Το συνθετικό τμήμα του χρωμοσώματος είχε διαφορετικό επιγενετικό προφίλ σε σύγκριση με το φυσικό βρύα, με περισσότερα ενεργοποιημένα γονίδια από το συνηθισμένο. Αυτό μπορεί να είναι επιβλαβές, σύμφωνα με την ομάδα.

Τα βρύα πρόσφεραν επίσης πιθανές γνώσεις για τη «σκοτεινή ύλη» του DNA, συμπεριλαμβανομένων των τρανσποζονίων. Η διαγραφή αυτών των γονιδίων δεν φαινόταν να βλάπτει τα μερικώς συνθετικά φυτά, υποδηλώνοντας ότι μπορεί να μην είναι απαραίτητα για την υγεία τους.

Πιο πρακτικά, τα αποτελέσματα θα μπορούσαν ενίσχυση των προσπαθειών βιοτεχνολογίας χρησιμοποιώντας βρύα για την παραγωγή ενός ευρέος φάσματος θεραπευτικών πρωτεϊνών, συμπεριλαμβανομένων εκείνων που καταπολεμούν τις καρδιακές παθήσεις, επουλώνουν πληγές ή θεραπεύουν το εγκεφαλικό. Το Moss χρησιμοποιείται ήδη για τη σύνθεση ιατρικών φαρμάκων. Ένα μερικώς σχεδιασμένο γονιδίωμα θα μπορούσε να αλλάξει το μεταβολισμό του, να ενισχύσει την ανθεκτικότητά του έναντι των λοιμώξεων και να αυξήσει την απόδοση.

Το επόμενο βήμα είναι η αντικατάσταση του συνόλου του βραχίονα του χρωμοσώματος 18 με συνθετικές αλληλουχίες. Στόχος τους είναι να δημιουργήσουν ένα ολόκληρο γονιδίωμα συνθετικού βρύου μέσα σε 10 χρόνια.

Είναι ένας φιλόδοξος στόχος. Σε σύγκριση με το γονιδίωμα της ζύμης, το οποίο χρειάστηκε 18 χρόνια και μια παγκόσμια συνεργασία για να ξαναγραφεί το μισό του, το γονιδίωμα των βρύων είναι 40 φορές μεγαλύτερο. Αλλά με ολοένα και πιο αποτελεσματικές και φθηνότερες τεχνολογίες ανάγνωσης και σύνθεσης DNA, ο στόχος δεν είναι απρόσιτος.

Παρόμοιες τεχνικές θα μπορούσαν επίσης να εμπνεύσουν άλλα έργα για τον επανασχεδιασμό των χρωμοσωμάτων σε οργανισμούς πέρα ​​από βακτήρια και ζυμομύκητες, από φυτά σε ζώα.

Image Credit: Pyrex / Wikimedia Commons

• SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Ενδυναμώστε τον εαυτό σας. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoESG. Ανθρακας, Cleantech, Ενέργεια, Περιβάλλον, Ηλιακός, Διαχείριση των αποβλήτων. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoHealth. Ευφυΐα βιοτεχνολογίας και κλινικών δοκιμών. Πρόσβαση εδώ.
• πηγή: https://singularityhub.com/2024/02/08/partially-synthetic-moss-paves-the-way-for-plants-with-designer-genomes/