Yaşamın Tasarım Kurallarını Yeniden Yaratmak İçin Öğreniyor

Diyelim ki eski bir evde yaşıyorsunuz ve bir dizi tadilat yapmak istiyorsunuz; bir noktada, ileriye doğru en etkili yol tamamen yeni bir ev inşa etmektir. Benzer bir temiz sayfa yaklaşımı, dünyanın ilk sentetik ökaryotik genomunu yaratmaya yönelik uluslararası çabanın arkasındaki yol gösterici ilkedir - bu, Dünya'daki karmaşık yaşam, insanlar dahil. Şu anda, genetik mühendisliği teknikleri genellikle doğanın verdiği genomik şablonlardan birini (eski ev) alıp DNA koduna bireysel mutasyonlar (yenilemeler) ekleyerek çalışır. Ancak, sıfırdan bir genom yazma yeteneği, istenen bir genomu tasarlamada daha fazla yaratıcılığın kilidini açacaktır - hayalinizdeki ev - ve doğanın yapamadığı şeyleri yapan yeni organizma türleri üretecektir.

"Eğer genomu organizmaların işletim sistemi olarak görürseniz, o zaman genomu yazmak size temelde genomu yeniden düzenleme ve yaşayan organizmaları programlama fırsatı verir" dedi Yizhi "Patrick" Cai Manchester Üniversitesi'nden. Gelecekte, araştırmacılar yeni yeteneklere sahip ve ısı ve kuraklık gibi çevresel koşullara karşı daha fazla toleransa sahip yeni hücreler tasarlayabilirler.

Cai, koordinatördür Sentetik Maya Genom ProjesiBira mayası için genomu yeniden tasarlamayı amaçlayan küresel bir konsorsiyum (Saccharomyces cerevisiae). Neden maya? Tek hücreli mantar, evrimsel olarak konuşursak, insanlara yakın bir kuzendir: İnsan genlerinin en az %20'sinin mayada bir karşılığı vardır. İnsan vücudunda gerçekleşen birçok hücresel süreç, bir araştırma vekili olarak mayada kopyalanabilir. Cai, "Maya, biyoteknoloji ve ayrıca insan sağlığı için bir model organizma olarak çok önemlidir," dedi. Bunu "bu gezegendeki en iyi anlaşılan organizma" olarak adlandırdı ve bu, ekibine genomik tasarımını anlamak için çalışırken bir başlangıç ​​​​sağladı.

Yepyeni bir genom oluşturan araştırmacılar için, zor olan kısım üretimin kendisi değildir; bilim insanları DNA baz çiftlerini dizilere nasıl birleştireceklerini zaten biliyorlar. Bunun yerine, asıl zorluk yaşayabilir bir organizma üreten bir genom dizisi tasarlamaktır. Bunu yapmak için bilim insanlarının öncelikle çalışan bir genomu neyin oluşturduğuna dair temel prensipleri ve tasarım kurallarını öğrenmeleri ve kaçınılması gereken tuzakları belirlemeleri gerekir.

Maya genomu için kombinatoryal alan -doğal veya sentetik- çok geniştir; onu keşfetmek ve her genetik bileşeni amacını ve bağlamını anlamak için ayrı ayrı ayarlamak pratik olmayan bir şekilde yavaştır. Cai'nin ekibi süreci hızlandırmak için Scramble adlı bir araç Mayanın doğal genomunu araştırmak için. Maya hücrelerini komut üzerine genomlarını rastgele hale getirme yeteneğiyle tasarlayarak çalışır. Birinin genomunu karıştırmak genellikle ölümcül bir iştir, ancak bazı hücreler şans eseri işe yarar bir kombinasyona ulaşabilir. Cai'nin ekibi daha sonra şanslı kurtulanlar arasında neyin ortak olduğunu belirleyerek genomik yaşayabilirlik kurallarını türetebilir. Yeterli bilgi birikimiyle araştırmacılar daha sonra doğanın tasarım kurallarına uyan ve çalışan bir ökaryotik hücre üreten tamamen sentetik bir genom oluşturabilirler.

Proje Kasım 2023'te tanıtıldı son ilerlemesi: %50 yeniden tasarlanmış DNA'ya sahip sentetik bir maya hücresi. Mayanın 16 kromozomundan altıdan fazlası tamamen sentetikti. Hatta biri bir neokromozomdu — doğal karşılığı olmayan bir kromozom. Bu %50 dönüm noktası 10 yılda yapılmış olsa da, Cai ekibin artık doğru araçlara sahip olmasıyla maya genomunun kalan yarısının potansiyel olarak daha kolay bir kaldırma işlemi olduğunu söyledi.

Kuantum Cai ile programlama hayatı, genomu bir kitap gibi okuma ve yazma ve New England kışında kilt giymenin kariyerinde bir dönüm noktası olması hakkında konuştuk. Röportaj, netlik için kısaltılmış ve düzenlenmiştir.

Sentetik biyoloji dünyasına ilginiz nasıl başladı?

Çin'de büyüdüm ve bilgisayar mühendisliği öğrenmek için okula gittim. Sonra, Edinburgh Üniversitesi'ne robotik ve dilbilim alanında yüksek lisans yapmak için katıldığımda — 2005'ti — robotları programlamaya çalışmak yerine bakterileri programlamaya çalışan bir grup insan buldum. Ekibin bir parçası olmak üzere işe alındım. Massachusetts Teknoloji Enstitüsü tarafından her yıl düzenlenen bu uluslararası genetik mühendisliği yarışmasına katıldık. Amaç şuydu: Canlı organizmaları ilginç bir şey yapmaya programlayabilir misiniz?

Biz programladık Escherichia coli bakterilerin içme suyundaki arsenik kontaminasyonu için biyosensörler haline gelmesi. Düzenli olarak arsenit ile kirlenmiş su içiyorsanız, cilt kanserinden böbrek kanserine kadar her türlü sorunla karşılaşabilirsiniz. [Mühendislik ürünü] bakteriler, milyarda beş moleküle kadar farklı seviyelerde arsenit algılayabilir. Çok hassastırlar. Temel olarak bakterileri Bangladeş'teki yerel köylülere verebilir, onlardan bir kuyudan biraz su eklemelerini, oda sıcaklığında inkübe etmelerini isteyebilirsiniz ve yarın sabah bir pH test kağıdını daldırıp renk değişimini görebilirler. Yani bir hamilelik testi gibi: çok basit.

Arsenik biyosensörü MIT'de büyük ilgi gördü. Kasım ayında olduğunu canlı bir şekilde hatırlıyorum. Yarışmak için Boston'a gitmiştim. İskoçya'dan gelen ilk takım olduğumuz için bana İskoç eteği giydirdiler. Soğuktu, söyleyebilirim — Kasım ayında Boston'da, eteğimi giymiştim.

Kariyerimin dönüm noktası gerçekten de buydu; canlı organizmalara bir programlama alt yapısı olarak bakmak.

Bakteriden mayaya geçiş nasıl oldu?

Doktora sonrası çalışmamı Baltimore'daki Johns Hopkins Üniversitesi'nde yaptım ve orada tanıştım Jef Böke, [New York Üniversitesi'nde şu anda bir genetikçi]. Maya genomunu sentezlemek için küçük bir lisans kursu yürütüyordu. Ona, "Bu, emekli olmadan önce asla bitmeyecek, bu yüzden bunu uluslararası bir çaba haline getirmeliyiz." dedim.

Jef'in dört kıtadan 10 üniversiteden oluşan uluslararası bir konsorsiyum kurmasına yardımcı oldum ve birlikte çalışıyoruz Son on yılda. Her birimiz bir veya iki kromozom elde ediyoruz. Kromozomu yeniden düzenliyoruz — kendi spesifikasyonumuza göre yapıyoruz. Ve sonra sonunda onu yeni bir genoma birleştiriyoruz.

Maya basit bir ökaryottur, ancak genomu [bakterilerden] çok daha karmaşıktır. Birincisi, bakterilerin bir kromozomu vardır; mayanın ise 16. Bakteriyel genom çok daha kompakttır. Mayanın ayrıca birçok ek öğesi vardır.

Maya genomu neden sentezlenir?

İlk sentetik genomun peşinde koşmak, genom organizasyonunun ilk prensiplerinin ne olduğunu gerçekten anlamaktır. İnşa edemediğim şeyi anlamıyorum [Richard Feynman'ı tekrarlamak gerekirse]. Bu nihai testtir. Biyolojiyi ve yaşamı gerçekten anlayabiliriz.

Başka bir şekilde ifade edeyim. Bir kitabı okuyabildiğinizde, birçok kitap okuyabilirsiniz. Bu, genomu dizilemeye eşdeğerdir. Ancak yalnızca yazmaya gelince, anlayışınızı gerçekten test edersiniz. Bir genomu okumak pasiftir. Ancak yazmaya başladığınızda, bu yaratıcı bir süreçtir. Mühendislik yaptığınız varlık üzerinde çok daha iyi bir kontrole sahip olacaksınız.

Daha sonra, günümüz toplumundaki çok önemli sorulardan bazılarını ele almak için yaşamı yeniden tasarlamayı düşünmeye başlayabilirsiniz. Ve size birkaç örnek vermek gerekirse: Bitki genomunu iklim değişikliğine karşı daha dayanıklı olacak şekilde tasarlayabilirsiniz; daha iyi verimler elde edecek şekilde tasarlayabilirsiniz. Bu, toplumun karşı karşıya olduğu gıda kıtlığı sorununu çözebilir. Örneğin, organ nakli için uygun domuz organları tasarlayabilirsiniz. Bunlar, genom mühendisliğinin bizim için yapabileceği uygulamaların harika örnekleridir.

Mevcut teknolojiyle, düzenleme yaparak transgenik organizmalar yapabilirsiniz. Ancak gerçekte tam bir ifade özgürlüğünüz yok. Bunun nedeni, üzerinde oynamak için doğal şablonlara güvenmenizdir.

Sentetik maya genomunun ilk taslağını yazarken yaklaşımınız nedir?

Genomu yazmanın yolu parça parçadır. Mevcut bir kitap bölümünü alırsınız; ilk paragrafı yeniden yazarsınız ve sonra bunu hücreye koyarsınız. Şimdi maya sizin düzeltmeniniz olur. Maya yeniden yazdığınız ilk paragrafı okumaya başlar ve "Bu mantıklı mı?" der. Mantıklı değilse, maya şikayet eder. Hastalanır veya yaşayamaz hale gelir.

Bunu paragraf paragraf yapıyorsunuz ve sonunda yeni bir bölümle karşılaşıyorsunuz.

Mayanın 16 kromozomu olan 16 bölümü olduğunu düşünün. Yani [takımdaki] her birimiz bir bölüm alıyoruz ve paragraf paragraf yazıyoruz. Bu, genomu yeniden yazmak için aşağıdan yukarıya bir yaklaşımdır.

Yeni sentetik genomun tasarım planını nasıl oluşturuyorsunuz?

Genomu yazmak için Scramble'ı kullanmıyoruz. Fakat yeni genomlar tasarlamak için Scramble'ı kullanıyoruz.

Maya genomunu her kartın bir gen olduğu bir deste kart olarak görürseniz, bu Scramble sistemi kartların sırasını karıştırmanıza, bazı kartları ters çevirmenize, bazı kartları atmanıza, bazı kartları kopyalamanıza olanak tanır. Genom yeniden karıştırma teknolojisi Scramble size mümkün olan tüm kombinasyonları sistematik olarak örnekleme fırsatı verir. Yani tek bir genom yapmak yerine, aynı anda milyarlarca genom yapıyorsunuz.

Birçok alternatif tasarım üretme kapasitemiz var ve sonra en iyi performans gösterenleri seçebiliriz. Diyelim ki bu Scramble sistemini açtım ve genomun tüm olası permütasyonlarını ürettim. Sonra şu soruyu soruyorum: 40 santigrat derecede kim hayatta kalabilir? O belirli koşulda, hayatta kalanlar gerçekten ilginç olanlardır. Doğada asla var olmayacaklardır. Sonra onları sıralayabilir ve "Mayaya bu özel gücü vermek için ne tür bir yeniden düzenlemeye ihtiyacım var?" diyebilirsiniz.

Bu teknoloji, suşları kendi spesifikasyonlarımıza göre pratik olarak evrimleştirmemize olanak tanır. Ayrıca genlerin bize belirli bir özelliği vermek için nasıl organize edildiğine dair içgörü sağlar. Kesin mühendisliği doğrudan evrimle birleştirmenin güzelliği budur. Doğal genom bunu yapmanıza izin vermez.

Yeni genom tam olarak sentetik mi ve doğal versiyondan nasıl farklı?

Sentetiktir çünkü tüm DNA dizileri kimyasal olarak yeniden sentezlenmiştir. Doğal miraslarından gelmiyorlar. Genom, vahşi tip genomdan yaklaşık %20 daha küçüktür. Yararlı olmayan çöplerden kurtuluruz. Dizi kompozisyonu, ebeveynlerininkinden büyük ölçüde farklıdır.

Tüm sentetik kromozomların gerçekten uyumlu olduğunu söylemekten mutluluk duyuyorum. Bu şaşırtıcı çünkü her kromozomda binlerce düzenleme var ve biz hala gerçekten yüksek bir uyumu korumayı başardık. Bu sadece dikkatli olduğumuz için değil; aynı zamanda muhafazakar olduğumuz için de. İnsanlar her kromozoma binlerce düzenleme koyduğumuz için agresif olduğumuzu söylüyordu. Ama şimdi geriye dönüp baktığımızda, "Aslında, genomda çok fazla esneklik var." diyoruz. Tüm bu değişiklikleri yapmaya çalışıyorsunuz ama hücreler hala onlara uyguladığınız tüm bu işkencelere dayanabiliyor. Yani bir sonraki versiyonu yapabilirsek, çok daha agresif olmalıyız.

Bu çalışmanın bundan sonraki aşaması ne olacak?

Grubumdaki yeni bir proje hakkında özellikle heyecanlıyım, bu da minimal genomun ne olduğunu türetmeye çalışmak. Yaşamı sürdürebilecek minimal gen kümesi nedir? Bunu ele alma şeklimiz, bu sentetik mayayı alıp genomu küçültmek için Scramble'ı kullanmak. Temel olmayan herhangi bir şeyi karıştırarak minimal genomu türetebilir miyiz?

Geçtiğimiz yıl, ekibiniz Sentetik Maya Genom Projesi'nin %50 tamamlandığını duyurdu. Bununla ne demek istiyorsunuz?

Genomun içine dahil edilen DNA'nın [nükleotidlerin] çokluğudur. Mayayı bir kitap olarak ele alırsanız, bu 16 bölümdür. Ancak her bölüm farklı bir uzunluktadır; eşit değillerdir. Altı buçuk kromozom entegre ettik, ancak bunlar daha büyük kromozomlardır, karakterlerin %50'si. İkinci yarıyı değiştirmek için teknolojimiz var.

Ama biliyorsunuz, şaşırabiliriz. "Sentetik öldürücülük" dediğimiz şeyden endişeleniyoruz. Belki bir noktada burada bir bölümde bir şeyi değiştirdiğinizde sorun olmaz; burada başka bir bölümde bir şeyi değiştirdiğinizde sorun olmaz. Ama onlar bir arada var olamazlar aynı kitapta. En büyük sorun, birden fazla sentetik kromozomu bir araya getirirsek, iki kromozomdaki düzenlemeler arasında uyumsuzluk göreceksiniz.

Peki şimdi ne kadar kaldı?

Bana her sorulduğunda, 12 ay sonra diyorum. Son mil her zaman en zor olanıdır. Ama çok cesaret verici. Yolumuzda iyi gidiyoruz.

Yani muhtemelen 2025'in sonu gibi bir şey?

Gelecek sene tekrar sor.