הביולוגיה הסינתטית כבר משכתבת את החיים.
בסוף 2023, מדענים חשפו תאי שמרים עם מחצית מהתוכנית הגנטית שלהם הוחלף ב-DNA מלאכותי. זה היה רגע "קו פרשת מים" ב- פרויקט של 18 שנים לעצב גרסאות חלופיות של כל כרומוזום שמרים. למרות שיש להם שבעה וחצי כרומוזומים סינתטיים, התאים התרבו ושגשגו.
מחקר חדש מעביר אותנו במעלה הסולם האבולוציוני לצמחי מעצבים.
עבור פרויקט בשם SynMoss, צוות בסין עיצב מחדש חלק מכרומוזום בודד בסוג של אזוב. הצמח הסינטטי בחלקו שנוצר גדל באופן רגיל ויצר נבגים, מה שהופך אותו לאחד היצורים החיים הראשונים עם מספר תאים הנושאים כרומוזום מלאכותי חלקית.
השינויים המותאמים אישית בכרומוזומים של הצמח קטנים יחסית לשמרים הסינתטיים. אבל זה צעד לקראת עיצוב מחדש לחלוטין של גנומים באורגניזמים ברמה גבוהה יותר.
בראיון עם מדע, הביולוג הסינתטי ד"ר טום אליס מאימפריאל קולג' בלונדון אמר שזו "קריאת השכמה לאנשים שחושבים שגנומים סינתטיים מיועדים רק לחיידקים".
שדרוג חיים
המאמצים לשכתב את החיים אינם רק כדי לספק סקרנות מדעית.
התעסקות עם דנ"א יכולה לעזור לנו לפענח את ההיסטוריה האבולוציונית ולאתר קטעים קריטיים של DNA השומרים על יציבות הכרומוזומים או גורמים למחלות. הניסויים יכולים גם לעזור לנו להבין טוב יותר את "החומר האפל" של ה-DNA. רצפים מסתוריים שאינם מקודדים לחלבונים, הפזורים על פני הגנום, הביעו מדענים זה מכבר: האם הם שימושיים או רק שרידים של אבולוציה?
אורגניזמים סינתטיים גם מקלים על הנדסת יצורים חיים. חיידקים ושמרים, למשל, כבר משמשים לחליטת בירה ולשאיבת תרופות מצילות חיים כמו אינסולין. על ידי הוספה, החלפה או מחיקה של חלקים מהגנום, ניתן להעניק לתאים אלו יכולות חדשות.
במחקר אחד אחרון, למשל, חוקרים תכנתו מחדש חיידקים כדי לסנתז חלבונים באמצעות אבני בניין של חומצות אמינו שלא נראו בטבע. באחר במחקר, צוות הפך חיידקים לטרמינטורים חוטפי פלסטיק שממחזרים פסולת פלסטיק לחומרים שימושיים.
למרות שהם מרשימים, חיידקים עשויים מתאי שלא כמונו - החומר הגנטי שלהם מרחף מסביב, מה שהופך אותם לקלים יותר לחיבור מחדש.
השמיים פרויקט שמרים סינתטיים היה פריצת דרך. בניגוד לחיידקים, שמרים הם תא איקריוטי. צמחים, בעלי חיים ובני אדם כולם נכנסים לקטגוריה זו. ה-DNA שלנו מוגן בתוך בועה דמוית אגוז הנקראת גרעין, מה שהופך את זה למאתגר יותר עבור ביולוגים סינתטיים לצבוט.
ובאשר לאאוקריוטים, קשה יותר לתפעל צמחים מאשר שמרים - אורגניזם חד-תא - מכיוון שהם מכילים מספר סוגי תאים שמתאמים צמיחה ורבייה. שינויים כרומוזומליים יכולים להופיע בצורה שונה בהתאם לאופן פעולתו של כל תא, ובתורם, להשפיע על בריאות הצמח.
"סינתזת הגנום באורגניזמים רב-תאיים נותרה טריטוריה לא ידועה", כתב הצוות במאמרם.
לאט ויציב
במקום לבנות גנום חדש לגמרי מאפס, הצוות התעסק בגנום האזוב הקיים.
הפושט הירוק הזה נחקר רבות במעבדה. ניתוח מוקדם מגנום הטחב מצא שיש לו 35,000 גנים פוטנציאליים - מורכבים להפליא עבור צמח. כל 26 הכרומוזומים שלו עברו רצף מלא.
מסיבה זו, הצמח הוא "מודל בשימוש נרחב במחקרים התפתחותיים אבולוציוניים וביולוגיים של תאים", כתב הצוות.
גנים של אזוב מסתגלים בקלות לשינויים סביבתיים, במיוחד אלה שמתקנים נזקי DNA מאור השמש. בהשוואה לצמחים אחרים - כמו גרגיר תיל, מודל אחר של ביולוגים בעד - לטחב יש את היכולת המובנית לסבול שינויים גדולים ב-DNA ולהתחדש מהר יותר. שני ההיבטים "חיוניים" בעת שכתוב הגנום, הסביר הצוות.
עוד הטבה? הטחב יכול לגדול לצמח מלא מתא בודד. יכולת זו היא תרחיש חלום עבור ביולוגים סינתטיים מכיוון ששינוי גנים או כרומוזומים בתא אחד בלבד יכול לשנות אורגניזם שלם.
כמו שלנו, כרומוזומי צמחים נראים כמו "X" עם שתי זרועות שלובות. לצורך המחקר הזה, הצוות החליט לשכתב את זרוע הכרומוזומים הקצרה ביותר בצמח - כרומוזום 18. זה עדיין היה פרויקט ממותה. בעבר, התחליף הגדול ביותר היה רק כ-5,000 אותיות DNA; המחקר החדש היה צריך להחליף למעלה מ-68,000 מכתבים.
החלפת רצפי DNA טבעיים ב"שברים סינתטיים גדולים שעוצבו מחדש היוותה אתגר טכני אדיר", כתב הצוות.
הם נקטו באסטרטגיית הפרד-וכבש. תחילה הם עיצבו נתחים בינוניים של DNA סינתטי לפני ששילבו אותם ל"מגה-גוש" DNA אחד של זרוע הכרומוזומים.
בכרומוזום החדש שעוצב היו כמה שינויים בולטים. הוציאו ממנו טרנספוזונים, או "גנים קופצים". בלוקי DNA אלה נעים ברחבי הגנום, ומדענים עדיין מתלבטים אם הם חיוניים לתפקודים ביולוגיים נורמליים או אם הם תורמים למחלות. הצוות גם הוסיף "תגיות" DNA לכרומוזום כדי לסמן אותו כסינטטי וביצע שינויים באופן שבו הוא מסדיר את הייצור של חלבונים מסוימים.
בסך הכל, השינויים הקטינו את גודל הכרומוזום בכמעט 56 אחוזים. לאחר הכנסת הכרומוזום המעצב לתאי אזוב, הצוות טיפח אותם לצמחים בוגרים.
פריחה חצי סינתטית
אפילו עם גנום ערוך בכבדות, הטחב הסינטטי היה נורמלי באופן מפתיע. הצמחים גדלו בקלות לתוך שיחים עלים בעלי ענפים מרובים ובסופו של דבר יצרו נבגים. כל מבני הרבייה היו כמו אלה שנמצאו בטבע, מה שמרמז שלצמחים הסינטטיים למחצה היה מחזור חיים תקין ויכולים להתרבות.
הצמחים גם שמרו על עמידותם בפני סביבות מלוחות במיוחד - הסתגלות שימושית שניתן לראות גם אצל עמיתיהם הטבעיים.
אבל לטחב הסינטטי היו כמה מוזרויות אפיגנטיות בלתי צפויות. אפיגנטיקה היא המדע כיצד תאים מפעילים או מכבים גנים. לחלק הסינטטי של הכרומוזום היה פרופיל אפיגנטי שונה בהשוואה לטחב טבעי, עם יותר גנים מופעלים מהרגיל. זה עלול להיות מזיק, על פי הצוות.
הטחב גם הציע תובנות פוטנציאליות לגבי "החומר האפל" של ה-DNA, כולל טרנספוזונים. נראה כי מחיקת הגנים המקפצים הללו לא פוגעת בצמחים הסינתטיים בחלקם, מה שמרמז שהם לא חיוניים לבריאותם.
יותר מעשית, התוצאות יכולות להגביר את מאמצי הביוטכנולוגיה שימוש בטחב לייצור מגוון רחב של חלבונים טיפוליים, כולל כאלה הנלחמים במחלות לב, מרפאים פצעים או מטפלים בשבץ מוחי. מוס כבר משמש לסינתזה של תרופות רפואיות. גנום בעיצוב חלקי יכול לשנות את חילוף החומרים שלו, להגביר את עמידותו נגד זיהומים ולהגדיל את התשואה.
השלב הבא הוא להחליף את כל הזרוע הקצרה של כרומוזום 18 ברצפים סינתטיים. הם שואפים ליצור גנום טחב סינתטי שלם בתוך 10 שנים.
זו מטרה שאפתנית. בהשוואה לגנום השמרים, שלקח 18 שנים ושיתוף פעולה עולמי לשכתב חצי ממנו, גנום האזוב גדול פי 40. אבל עם טכנולוגיות קריאת DNA וסינתזה יעילות וזול יותר, המטרה אינה מעבר להישג יד.
טכניקות דומות יכולות גם לעורר פרויקטים אחרים לעיצוב מחדש של כרומוזומים באורגניזמים מעבר לחיידקים ושמרים, מצמחים ועד בעלי חיים.
תמונת אשראי: Pyrex / ויקימדיה קומונס
- הפצת תוכן ויחסי ציבור מופעל על ידי SEO. קבל הגברה היום.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. העצים את עצמך. גישה כאן.
- PlatoAiStream. Web3 Intelligence. הידע מוגבר. גישה כאן.
- PlatoESG. פחמן, קלינטק, אנרגיה, סביבה, שמש, ניהול פסולת. גישה כאן.
- PlatoHealth. מודיעין ביוטכנולוגיה וניסויים קליניים. גישה כאן.
- מקור: https://singularityhub.com/2024/02/08/partially-synthetic-moss-paves-the-way-for-plants-with-designer-genomes/
