Syntetisk biologi skriver redan om livet.

I slutet av 2023, forskare avslöjade jästceller med hälften av deras genetiska ritning ersatt av artificiellt DNA. Det var en "vattendelare" ögonblick i en 18 år långt projekt att designa alternativa versioner av varje jästkromosom. Trots att de hade sju och en halv syntetiska kromosomer, reproducerade cellerna och frodades.

En ny studie flyttar oss uppför den evolutionära stegen till designerväxter.

För ett projekt som heter SynMoss, designade ett team i Kina om en del av en enda kromosom i en typ av mossa. Den resulterande delsyntetiska växten växte normalt och producerade sporer, vilket gör den till en av de första levande varelserna med flera celler som bär en delvis artificiell kromosom.

De anpassade förändringarna i växtens kromosomer är relativt små jämfört med den syntetiska jästen. Men det är ett steg mot att helt omdesigna genomen i organismer på högre nivå.

I en intervju med Vetenskap, sade syntetisk biolog Dr. Tom Ellis från Imperial College London att det är en "uppvaknande till människor som tror att syntetiska genom bara är för mikrober."

Uppgradera livet

Ansträngningar att skriva om livet är inte bara för att tillfredsställa vetenskaplig nyfikenhet.

Att pyssla med DNA kan hjälpa oss att dechiffrera evolutionär historia och lokalisera kritiska delar av DNA som håller kromosomerna stabila eller orsakar sjukdomar. Experimenten kan också hjälpa oss att bättre förstå DNA:s "mörka materia". Mystiska sekvenser som inte kodar för proteiner, utspridda över genomet, har länge förbryllat forskare: Är de användbara eller bara rester av evolution?

Syntetiska organismer gör det också lättare att konstruera levande varelser. Bakterier och jäst används till exempel redan för att brygga öl och pumpa ut livräddande mediciner som insulin. Genom att lägga till, byta eller ta bort delar av genomet är det möjligt att ge dessa celler nya möjligheter.

I en nyligen genomförd studie, till exempel, forskare omprogrammerade bakterier för att syntetisera proteiner med hjälp av aminosyrabyggstenar som inte syns i naturen. I en annan I studien förvandlade ett team bakterier till plastkrockande terminatorer som återvinner plastavfall till användbara material.

Även om det är imponerande, är bakterier gjorda av celler till skillnad från våra - deras genetiska material flyter runt, vilket gör dem potentiellt lättare att koppla om.

Smakämnen Syntetisk jästprojekt var ett genombrott. Till skillnad från bakterier är jäst en eukaryot cell. Växter, djur och människor tillhör alla denna kategori. Vårt DNA är skyddat inuti en nötliknande bubbla som kallas en kärna, vilket gör det mer utmanande för syntetiska biologer att justera.

Och när det gäller eukaryoter är växter svårare att manipulera än jäst - en encellig organism - eftersom de innehåller flera celltyper som koordinerar tillväxt och reproduktion. Kromosomförändringar kan spela olika ut beroende på hur varje cell fungerar och i sin tur påverkar växtens hälsa.

"Genomsyntes i flercelliga organismer förblir okänt territorium", skrev teamet i sin tidning.

Lugnt och försiktigt

Istället för att bygga ett helt nytt genom från grunden, mixtrade teamet med det befintliga mossgenomet.

Denna gröna fuzz har studerats omfattande i labbet. En tidig analys av mossgenomet fann att det har 35,000 26 potentiella gener - slående komplext för en växt. Alla dess XNUMX kromosomer har sekvenserats fullständigt.

Av denna anledning är växten en "brett använd modell i evolutionära utvecklings- och cellbiologiska studier", skrev teamet.

Mossgener anpassar sig lätt till miljöförändringar, särskilt de som reparerar DNA-skador från solljus. Jämfört med andra växter - som krasse, en annan modell som biologer föredrar - har mossa den inbyggda förmågan att tolerera stora DNA-förändringar och regenerera snabbare. Båda aspekterna är "väsentliga" när man skriver om genomet, förklarade teamet.

En annan förmån? Mossan kan växa till en hel växt från en enda cell. Denna förmåga är ett drömscenario för syntetiska biologer eftersom förändringar av gener eller kromosomer i bara en cell potentiellt kan förändra en hel organism.

Liksom våra egna ser växtkromosomerna ut som ett "X" med två korsade armar. För den här studien beslutade teamet att skriva om den kortaste kromosomarmen i växten – kromosom 18. Det var fortfarande ett maffigt projekt. Tidigare var den största ersättningen endast cirka 5,000 68,000 DNA-bokstäver; den nya studien behövde ersätta över XNUMX XNUMX brev.

Att ersätta naturliga DNA-sekvenser med "de omgjorda stora syntetiska fragmenten innebar en formidabel teknisk utmaning", skrev teamet.

De tog en dela-och-härska-strategi. De designade först medelstora bitar av syntetiskt DNA innan de kombinerade dem till en enda DNA "mega-bit" av kromosomarmen.

Den nydesignade kromosomen hade flera anmärkningsvärda förändringar. Den var fråntagen transposoner, eller "hoppande gener". Dessa DNA-block rör sig runt genomet, och forskare diskuterar fortfarande om de är nödvändiga för normala biologiska funktioner eller om de bidrar till sjukdomar. Teamet lade också till DNA "taggar" till kromosomen för att markera den som syntetisk och gjorde ändringar i hur den reglerar tillverkningen av vissa proteiner.

Sammantaget minskade förändringarna storleken på kromosomen med nästan 56 procent. Efter att ha satt in designerkromosomen i mossceller, fostrade teamet dem till vuxna växter.

En halvsyntetisk blomma

Även med ett hårt redigerat genom var den syntetiska mossan förvånansvärt normal. Växterna växte lätt till lummiga buskar med flera grenar och producerade så småningom sporer. Alla reproduktionsstrukturer var som de som finns i naturen, vilket tyder på att de halvsyntetiska växterna hade en normal livscykel och potentiellt kunde föröka sig.

Växterna bibehöll också sin motståndskraft mot mycket salta miljöer - en användbar anpassning som också ses i deras naturliga motsvarigheter.

Men den syntetiska mossan hade några oväntade epigenetiska egenheter. Epigenetik är vetenskapen om hur celler slår på eller av gener. Den syntetiska delen av kromosomen hade en annan epigenetisk profil jämfört med naturlig mossa, med fler aktiverade gener än vanligt. Detta kan potentiellt vara skadligt, enligt teamet.

Mossan erbjöd också potentiella insikter om DNA:s "mörka materia", inklusive transposoner. Att ta bort dessa hoppgener verkade inte skada de delvis syntetiska växterna, vilket tyder på att de kanske inte är avgörande för deras hälsa.

Mer praktiskt kan resultaten öka bioteknikinsatserna använder mossa för att producera ett brett utbud av terapeutiska proteiner, inklusive sådana som bekämpar hjärtsjukdomar, läker sår eller behandlar stroke. Mossa används redan för att syntetisera medicinska droger. Ett delvis designergenom kan förändra dess metabolism, öka dess motståndskraft mot infektioner och öka utbytet.

Nästa steg är att ersätta hela kromosom 18:s korta arm med syntetiska sekvenser. De siktar på att generera ett helt syntetiskt mossgenom inom 10 år.

Det är ett ambitiöst mål. Jämfört med jästgenomet, som tog 18 år och ett globalt samarbete för att skriva om hälften av det, är mossgenomet 40 gånger större. Men med allt effektivare och billigare DNA-läsnings- och syntesteknologier är målet inte utom räckhåll.

Liknande tekniker kan också inspirera andra projekt för att omdesigna kromosomer i organismer bortom bakterier och jäst, från växter till djur.

Image Credit: Pyrex / Wikimedia Commons

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrka dig själv. Tillgång här.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Platoesg. Kol, CleanTech, Energi, Miljö, Sol, Avfallshantering. Tillgång här.
• PlatoHealth. Biotech och kliniska prövningar Intelligence. Tillgång här.
• Källa: https://singularityhub.com/2024/02/08/partially-synthetic-moss-paves-the-way-for-plants-with-designer-genomes/