Synthetische biologie herschrijft het leven al.

Eind 2023, wetenschappers onthulde gistcellen waarbij de helft van hun genetische blauwdruk werd vervangen door kunstmatig DNA. Het was een “keerpunt” in een 18 jaar durend project om alternatieve versies van elk gistchromosoom te ontwerpen. Ondanks dat ze zeven en een half synthetische chromosomen hadden, reproduceerden en bloeiden de cellen.

Een nieuwe studie brengt ons omhoog op de evolutionaire ladder naar het ontwerpen van planten.

Voor een project genaamd SynMoss heeft een team in China een deel van een enkel chromosoom in een soort mos opnieuw ontworpen. De resulterende, gedeeltelijk synthetische plant groeide normaal en produceerde sporen, waardoor het een van de eerste levende wezens met meerdere cellen was die een gedeeltelijk kunstmatig chromosoom droeg.

De aangepaste veranderingen in de chromosomen van de plant zijn relatief klein vergeleken met de synthetische gist. Maar het is een stap in de richting van het volledig opnieuw ontwerpen van genomen in organismen op een hoger niveau.

In een interview met Wetenschapzei synthetisch bioloog dr. Tom Ellis van het Imperial College London dat het “een wake-up call is voor mensen die denken dat synthetische genomen alleen voor microben zijn.”

Het leven upgraden

Pogingen om het leven te herschrijven zijn niet alleen bedoeld om wetenschappelijke nieuwsgierigheid te bevredigen.

Het sleutelen aan DNA kan ons helpen de evolutionaire geschiedenis te ontcijferen en kritische stukken DNA te lokaliseren die chromosomen stabiel houden of ziekten veroorzaken. De experimenten kunnen ons ook helpen de ‘donkere materie’ van DNA beter te begrijpen. Verspreid over het genoom hebben mysterieuze sequenties die niet voor eiwitten coderen wetenschappers lange tijd verbijsterd: zijn ze nuttig of slechts overblijfselen van de evolutie?

Synthetische organismen maken het ook gemakkelijker om levende wezens te construeren. Bacteriën en gisten worden bijvoorbeeld al gebruikt om bier te brouwen en levensreddende medicijnen zoals insuline uit te pompen. Door delen van het genoom toe te voegen, te verwisselen of te verwijderen, is het mogelijk om deze cellen nieuwe mogelijkheden te geven.

In een recente studieOnderzoekers hebben bijvoorbeeld bacteriën geherprogrammeerd om eiwitten te synthetiseren met behulp van aminozuurbouwstenen die niet in de natuur voorkomen. In een andere In een studie veranderde een team bacteriën in plasticvretende Terminators die plastic afval recyclen tot nuttige materialen.

Hoewel ze indrukwekkend zijn, zijn bacteriën gemaakt van cellen die anders zijn dan de onze: hun genetisch materiaal zweeft rond, waardoor ze mogelijk gemakkelijker opnieuw te bedraden zijn.

De Synthetisch gistproject was een doorbraak. In tegenstelling tot bacteriën is gist een eukaryotische cel. Planten, dieren en mensen vallen allemaal in deze categorie. Ons DNA wordt beschermd in een nootachtige bel die een kern wordt genoemd, waardoor het voor synthetische biologen een grotere uitdaging wordt om te tweaken.

En wat eukaryoten betreft: planten zijn moeilijker te manipuleren dan gist – een eencellig organisme – omdat ze meerdere celtypen bevatten die de groei en voortplanting coördineren. Chromosomale veranderingen kunnen verschillend uitpakken, afhankelijk van hoe elke cel functioneert, en op hun beurt de gezondheid van de plant beïnvloeden.

“Genoomsynthese in meercellige organismen blijft onbekend terrein”, schreef het team in hun paper.

Langzaam en gestaag

In plaats van een geheel nieuw genoom helemaal opnieuw te bouwen, sleutelde het team aan het bestaande mosgenoom.

Dit groene dons is uitgebreid bestudeerd in het laboratorium. Een vroege analyse van het mosgenoom bleek dat het 35,000 potentiële genen bevat – opvallend complex voor een plant. Alle 26 chromosomen zijn volledig gesequenced.

Om deze reden is de plant een “veel gebruikt model in evolutionaire ontwikkelings- en celbiologische studies”, schreef het team.

Mosgenen passen zich gemakkelijk aan aan veranderingen in de omgeving, vooral die welke DNA-schade door zonlicht herstellen. Vergeleken met andere planten, zoals zandraket, een ander model waar biologen de voorkeur aan geven, heeft mos het ingebouwde vermogen om grote DNA-veranderingen te tolereren en sneller te regenereren. Beide aspecten zijn “essentieel” bij het herschrijven van het genoom, legde het team uit.

Nog een extraatje? Het mos kan vanuit één cel uitgroeien tot een volwaardige plant. Dit vermogen is een droomscenario voor synthetisch biologen, omdat het veranderen van genen of chromosomen in slechts één cel mogelijk een heel organisme kan veranderen.

Net als de onze zien plantenchromosomen eruit als een “X” met twee gekruiste armen. Voor deze studie besloot het team de kortste chromosoomarm in de plant te herschrijven: chromosoom 18. Het was nog steeds een gigantisch project. Voorheen bestond de grootste vervanging uit slechts ongeveer 5,000 DNA-letters; de nieuwe studie moest meer dan 68,000 brieven vervangen.

Het vervangen van natuurlijke DNA-sequenties door “de opnieuw ontworpen grote synthetische fragmenten vormde een enorme technische uitdaging”, schreef het team.

Ze hanteerden een verdeel-en-heersstrategie. Ze ontwierpen eerst middelgrote stukjes synthetisch DNA voordat ze deze combineerden tot een enkel DNA-‘megastuk’ van de chromosoomarm.

Het nieuw ontworpen chromosoom had een aantal opmerkelijke veranderingen. Het was ontdaan van transposons, of ‘springende genen’. Deze DNA-blokken bewegen zich door het genoom en wetenschappers debatteren nog steeds over de vraag of ze essentieel zijn voor normale biologische functies of dat ze bijdragen aan ziekten. Het team voegde ook DNA-tags toe aan het chromosoom om het als synthetisch te markeren en bracht wijzigingen aan in de manier waarop het de productie van bepaalde eiwitten reguleert.

Over het geheel genomen hebben de veranderingen de grootte van het chromosoom met bijna 56 procent verminderd. Nadat het ontwerperchromosoom in moscellen was ingebracht, kweekte het team ze uit tot volwassen planten.

Een half-synthetische bloesem

Zelfs met een zwaar bewerkt genoom was het synthetische mos verrassend normaal. De planten groeiden gemakkelijk uit tot groene struiken met meerdere takken en produceerden uiteindelijk sporen. Alle voortplantingsstructuren waren vergelijkbaar met die in het wild, wat erop wijst dat de halfsynthetische planten een normale levenscyclus hadden en zich potentieel konden voortplanten.

De planten behielden ook hun veerkracht tegen zeer zoute omgevingen – een nuttige aanpassing die ook bij hun natuurlijke tegenhangers te zien is.

Maar het synthetische mos had enkele onverwachte epigenetische eigenaardigheden. Epigenetica is de wetenschap van hoe cellen genen aan- of uitzetten. Het synthetische deel van het chromosoom had een ander epigenetisch profiel dan natuurlijk mos, met meer geactiveerde genen dan normaal. Volgens het team zou dit potentieel schadelijk kunnen zijn.

Het mos bood ook potentiële inzichten in de ‘donkere materie’ van DNA, inclusief transposons. Het verwijderen van deze springgenen leek de gedeeltelijk synthetische planten niet te schaden, wat erop wijst dat ze misschien niet essentieel zijn voor hun gezondheid.

Meer praktisch zouden de resultaten dat kunnen zijn biotechnologie-inspanningen te stimuleren door mos te gebruiken om een ​​breed scala aan therapeutische eiwitten te produceren, waaronder eiwitten die hartziekten bestrijden, wonden genezen of beroertes behandelen. Mos wordt al gebruikt om medicijnen te synthetiseren. Een gedeeltelijk ontworpen genoom zou zijn metabolisme kunnen veranderen, zijn veerkracht tegen infecties kunnen vergroten en de opbrengst kunnen verhogen.

De volgende stap is het vervangen van de gehele korte arm van chromosoom 18 door synthetische sequenties. Ze streven ernaar om binnen tien jaar een volledig synthetisch mosgenoom te genereren.

Het is een ambitieus doel. Vergeleken met het gistgenoom, dat 18 jaar duurde en een wereldwijde samenwerking om de helft ervan te herschrijven, is het mosgenoom 40 keer groter. Maar met steeds efficiëntere en goedkopere technologieën voor het lezen en synthetiseren van DNA is het doel niet onbereikbaar.

Soortgelijke technieken zouden ook andere projecten kunnen inspireren om chromosomen opnieuw te ontwerpen in organismen die verder gaan dan bacteriën en gisten, van planten tot dieren.

Krediet van het beeld: Pyrex / Wikimedia Commons

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
• PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
• Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
• Bron: https://singularityhub.com/2024/02/08/partially-synthetic-moss-paves-the-way-for-plants-with-designer-genomes/