合成生物学はすでに生命を書き換えています。

2023 年後半、科学者たちは 酵母細胞が明らかになった 遺伝子の設計図の半分が人工 DNA に置き換えられています。それは時代の「転機」の瞬間だった 18年に及ぶプロジェクト すべての酵母染色体の代替バージョンを設計する。 7本半の合成染色体を持っているにもかかわらず、細胞は複製し、繁栄しました。

新しい研究 私たちはデザイナープラントへの進化のはしごを上っていきます。

SynMoss と呼ばれるプロジェクトのために、中国のチームはコケの一種の単一染色体の一部を再設計しました。結果として得られた部分合成植物は正常に成長し、胞子を生成し、部分的に人工の染色体を保持する複数の細胞を持つ最初の生物の1つとなった。

植物の染色体のカスタム変化は、合成酵母に比べて比較的小さいです。しかし、これは高レベルの生物のゲノムを完全に再設計するための一歩だ。

とのインタビューで 科学インペリアル・カレッジ・ロンドンの合成生物学者トム・エリス博士は、これは「合成ゲノムは微生物だけのものだと考えている人々への警鐘」だと述べた。

人生をアップグレードする

人生を書き換える取り組みは、科学的な好奇心を満たすためだけではありません。

DNA をいじることは、進化の歴史を解読し、染色体の安定性を維持したり病気を引き起こしたりする DNA の重要な部分を特定するのに役立ちます。この実験は、DNAの「暗黒物質」をより深く理解するのにも役立つ可能性がある。ゲノム全体に散らばる、タンパク質をコードしていない謎の配列は長い間科学者を困惑させてきました。それらは役に立つものなのでしょうか、それとも単なる進化の残骸なのでしょうか？

合成生物により、生物の操作も容易になります。たとえば、細菌や酵母は、ビールの醸造やインスリンなどの救命薬の注入にすでに使用されています。ゲノムの一部を追加、切り替え、または削除することで、これらの細胞に新しい機能を与えることができます。

最近のある研究ではたとえば、研究者らは、自然界には見られないアミノ酸構成要素を使用してタンパク質を合成するように細菌を再プログラムしました。 他に 研究チームは、細菌をプラスチックをむしゃむしゃ食べるターミネーターに変え、プラスチック廃棄物を有用な材料にリサイクルしました。

印象的ではありますが、バクテリアは私たちのものとは異なり細胞でできており、その遺伝物質は浮遊しているため、再配線が容易になる可能性があります。

　 合成酵母プロジェクト 画期的な出来事でした。細菌とは異なり、酵母は真核細胞です。植物、動物、人間はすべてこのカテゴリーに分類されます。私たちの DNA は核と呼ばれるナッツのような泡の中に保護されているため、合成生物学者にとっては微調整がより困難になります。

そして、真核生物に関して言えば、植物は成長と生殖を調整する複数の細胞型を含むため、単細胞生物である酵母よりも操作が困難です。染色体の変化は、各細胞がどのように機能するかに応じてさまざまな影響を及ぼし、ひいては植物の健康に影響を与える可能性があります。

「多細胞生物におけるゲノム合成は依然として未知の領域である」と研究チームは論文に書いている。

ゆっくりと着実な

まったく新しいゲノムをゼロから構築するのではなく、研究チームは既存のコケゲノムをいじりました。

この緑色の綿毛は研究室で徹底的に研究されています。 初期の分析 コケのゲノムを分析したところ、植物としては驚くほど複雑な 35,000 個の潜在的な遺伝子があることがわかりました。 26 本の染色体すべてが完全に配列決定されています。

このため、この植物は「進化発生および細胞生物学の研究で広く使用されているモデル」であると研究チームは書いている。

コケの遺伝子は、環境の変化、特に日光による DNA 損傷を修復する遺伝子に容易に適応します。生物学者が好む別のモデルであるターレクレソンなどの他の植物と比較して、コケには大きな DNA 変化に耐え、より速く再生する能力が組み込まれています。ゲノムを書き換える際には両方の側面が「不可欠」であると研究チームは説明した。

別の特典?コケは単一の細胞から完全な植物に成長することができます。たった 1 つの細胞内の遺伝子または染色体を変更するだけで、潜在的に生物全体を変える可能性があるため、この能力は合成生物学者にとって夢のシナリオです。

私たちのものと同様、植物の染色体は 18 本の腕が交差した「X」のように見えます。この研究のために、研究チームは植物の中で最も短い染色体腕である第 5,000 番染色体を書き換えることにしました。それは依然として巨大なプロジェクトでした。以前は、最大の置換はわずか約 68,000 の DNA 文字でした。新しい研究ではXNUMX以上の手紙を置き換える必要があった。

天然の DNA 配列を「再設計された大きな合成フラグメントで置き換えることは、恐るべき技術的課題をもたらした」と研究チームは書いている。

彼らは分割統治戦略をとりました。彼らはまず合成 DNA の中サイズの塊を設計し、その後それらを染色体腕の単一の DNA「メガチャンク」に結合しました。

新しく設計された染色体には、いくつかの注目すべき変化がありました。トランスポゾン、つまり「ジャンプ遺伝子」が取り除かれていました。これらの DNA ブロックはゲノム中を移動しており、科学者たちはそれらが正常な生物学的機能に不可欠であるのか、それとも病気の一因となるのかについてまだ議論しています。研究チームはまた、染色体にDNA「タグ」を追加して合成としてマークし、特定のタンパク質の製造を制御する方法に変更を加えた。

全体として、この変更により染色体のサイズが 56% 近く減少しました。デザイナー染色体をコケ細胞に挿入した後、チームはそれらを成体植物に育てた。

半分合成の花

ゲノムが大幅に編集されていても、合成苔は驚くほど正常でした。植物は容易に複数の枝を持つ葉の茂った茂みに成長し、最終的には胞子を生成しました。すべての生殖構造は野生で見られるものと似ており、半合成植物が正常な生活環を持ち、潜在的に繁殖できることを示唆しています。

また、この植物は塩分濃度の高い環境に対しても回復力を維持しており、これは自然の植物にも見られる有益な適応です。

しかし、合成苔には予期せぬエピジェネティックな特徴がいくつかありました。エピジェネティクスは、細胞がどのように遺伝子をオンまたはオフにするかに関する科学です。染色体の合成部分は天然のコケとは異なるエピジェネティックプロファイルを持ち、通常よりも活性化された遺伝子が多かった。チームによれば、これは潜在的に有害である可能性があるという。

このコケは、トランスポゾンを含む DNA の「暗黒物質」についての潜在的な洞察も提供してくれました。これらのジャンプ遺伝子を削除しても、部分的に合成された植物には悪影響はないようで、それらが健康に必須ではない可能性があることを示唆しています。

より実際的には、結果は次のようになります。 バイオテクノロジーへの取り組みを促進する コケを使用して、心臓病と闘うもの、傷を治すもの、脳卒中を治療するものなど、幅広い治療用タンパク質を生産します。コケはすでに医薬品の合成に使用されています。部分的に設計されたゲノムは、その代謝を変化させ、感染に対する回復力を高め、収量を増加させる可能性がある。

次のステップは、18 番染色体の短腕全体を合成配列で置き換えることです。彼らは10年以内に完全な合成コケゲノムを生成することを目指している。

それは野心的な目標です。酵母のゲノムは18年の歳月と世界規模の協力を経て半分が書き換えられたのに比べ、コケのゲノムは40倍大きい。しかし、DNA 読み取りおよび合成技術の効率化と低コスト化により、目標は達成できないわけではありません。

同様の技術は、細菌や酵母を超えて植物から動物に至る生物の染色体を再設計する他のプロジェクトにも影響を与える可能性がある。

画像のクレジット： パイレックス / ウィキメディア・コモンズ

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• 情報源： https://singularityhub.com/2024/02/08/partially-synthetic-moss-paves-the-way-for-plants-with-designer-genomes/