Wissenschaftler nutzten CRISPR, um einen neuen „Superbug“ zu entwickeln, der für alle Viren unbesiegbar ist

Können wir das bestehende Leben nach Belieben umprogrammieren?

Für synthetische Biologen lautet die Antwort ja. Der zentrale Code für die Biologie ist einfach. DNA-Buchstaben werden in Dreiergruppen in Aminosäuren übersetzt – Lego-Blöcke, die Proteine ​​​​herstellen. Proteine ​​bauen unseren Körper auf, regulieren unseren Stoffwechsel und ermöglichen uns, als Lebewesen zu funktionieren. Die Entwicklung benutzerdefinierter Proteine ​​bedeutet oft, dass Sie kleine Aspekte des Lebens neu gestalten können – zum Beispiel, indem Sie ein Bakterium dazu bringen, lebensrettende Medikamente wie Insulin auszupumpen.

Alles Leben auf der Erde folgt dieser Regel: Eine Kombination von 64 DNA-Triplett-Codes oder „Codons“ wird in 20 Aminosäuren übersetzt.

Aber warte. Die Mathematik passt nicht. Warum würden 64 dedizierte Codons nicht 64 Aminosäuren ergeben? Der Grund ist Redundanz. Das Leben hat sich so entwickelt, dass mehrere Codons oft dieselbe Aminosäure bilden.

Was also, wenn wir diese redundanten „zusätzlichen“ Codons aller Lebewesen anzapfen und stattdessen unseren eigenen Code einfügen?

Genau das hat kürzlich ein Team der University of Cambridge getan. In einem technologische Meisterleistung, Sie benutzten CRISPR über 18,000 Codons durch synthetische Aminosäuren zu ersetzen, die es nirgendwo in der natürlichen Welt gibt. Das Ergebnis ist ein Bakterium, das praktisch gegen alle Virusinfektionen resistent ist – weil ihm die normalen Protein-„Türgriffe“ fehlen, die Viren benötigen, um die Zelle zu infizieren.

Aber das ist erst der Anfang der Superkräfte des Ingenieurlebens. Bisher konnten Wissenschaftler nur eine Designer-Aminosäure in einen lebenden Organismus einschleusen. Die neue Arbeit öffnet die Tür zum gleichzeitigen Hacken mehrerer vorhandener Codons und zum gleichzeitigen Kopieren von mindestens drei synthetischen Aminosäuren. Und wenn es 3 von 20 sind, reicht das aus, um das Leben, wie es auf der Erde existiert, grundlegend neu zu schreiben.

Wir dachten schon lange, dass „die Freigabe einer Teilmenge von… Codons für die Neuzuweisung die Robustheit und Vielseitigkeit der Technologie zur Erweiterung des genetischen Codes verbessern könnte“, schrieben Drs. Delilah Jewel und Abhishek Chatterjee vom Boston College, die nicht an der Studie beteiligt waren. „Diese Arbeit lässt diesen Traum auf elegante Weise Wirklichkeit werden.“

Den DNA-Code hacken

Unser genetischer Code liegt dem Leben, der Vererbung und der Evolution zugrunde. Aber es funktioniert nur mit Hilfe von Proteinen.

Das Programm zur Übersetzung von Genen, geschrieben in den vier Buchstaben der DNA, in die eigentlichen Bausteine ​​des Lebens, beruht auf einer vollständigen zellulären Entschlüsselungsfabrik.

Stellen Sie sich die Buchstaben der DNA – A, T, C und G – als einen Geheimcode vor, der auf einem langen, zerknitterten Papierstreifen geschrieben ist, der um eine Spule gewickelt ist. Dreiergruppen von „Buchstaben“ oder Codons sind der Knackpunkt – sie kodieren, welche Aminosäure eine Zelle bildet. Ein Botenmolekül (mRNA), eine Art Spion, kopiert heimlich die DNA-Nachricht und schleicht sich zurück in die Zellwelt, um die Nachricht zur Proteinfabrik der Zelle zu transportieren – eine Art zentrale Geheimdienstorganisation.

Dort rekrutiert die Fabrik mehrere „Übersetzer“, um den genetischen Code in Aminosäuren zu entschlüsseln, die treffend tRNAs genannt werden. Die Buchstaben sind in Dreiergruppen gruppiert, und jede Translator-tRNA schleppt ihre zugehörige Aminosäure physisch nacheinander zur Proteinfabrik, so dass die Fabrik schließlich eine Kette bildet, die sich in ein 3D-Protein wickelt.

Aber wie jeder robuste Code hat die Natur Redundanz in ihren DNA-zu-Protein-Translationsprozess programmiert. Zum Beispiel kodieren die DNA-Codes TCG, TCA, AGC und AGT alle für eine einzelne Aminosäure, Serin. Während es in der Biologie funktioniert, fragten sich die Autoren: Was wäre, wenn wir diesen Code anzapfen, ihn kapern und mit synthetischen Aminosäuren einige Richtungen des Lebens umleiten?

Den natürlichen Code entführen

Die neue Studie sieht die Redundanz der Natur als eine Möglichkeit, neue Fähigkeiten in Zellen einzuführen.

Für uns war eine Frage: „Könnten Sie die Anzahl der Codons reduzieren, die verwendet werden, um eine bestimmte Aminosäure zu codieren, und dadurch Codons erstellen, die frei sind, um andere Monomere [Aminosäuren] zu erzeugen?“ fragte Hauptautor Dr. Jason Chin.

Wenn TCG beispielsweise für Serin steht, warum nicht die anderen – TCA, AGC und AGT – für etwas anderes freigeben?

In der Theorie eine großartige Idee, aber in der Praxis eine wirklich entmutigende Aufgabe. Das bedeutet, dass das Team in eine Zelle gehen und jedes einzelne Codon ersetzen muss, das es neu programmieren möchte. Vor ein paar Jahren hat dieselbe Gruppe gezeigt, dass es möglich ist in E. Coli, der Lieblingswanze des Labors und der Pharmazie. Damals machte das Team einen astronomischen Sprung in der synthetischen Biologie, indem es das gesamte E. Coli Genom von Grund auf neu. Während des Prozesses spielten sie auch mit dem natürlichen Genom herum und vereinfachten es, indem sie einige Aminosäurecodons durch ihre Synonyme ersetzten – beispielsweise TCGs entfernten und durch AGCs ersetzten. Trotz der Modifikationen konnten die Bakterien gedeihen und sich leicht vermehren.

Es ist, als würde man ein sehr langes Buch nehmen und herausfinden, welche Wörter durch Synonyme ersetzt werden müssen, ohne die Bedeutung der Sätze zu ändern – damit die Bearbeitungen das Überleben der Bakterien nicht physisch beeinträchtigen. Ein Trick bestand beispielsweise darin, ein Protein namens „Release Factor 1“ zu löschen, was die Umprogrammierung des UAG-Codons mit einer brandneuen Aminosäure erleichtert. Frühere Arbeiten zeigten, dass dies natürlichen Codons neue Bausteine ​​zuordnen kann, die wirklich „leer“ sind – das heißt, sie codieren sowieso nichts auf natürliche Weise.

Eine synthetische Kreatur

Chins Team ging noch einen Schritt weiter.

Das Team entwickelte eine Methode namens REXER (Replicon Excision for Enhanced Genome Engineering Through Programmed Recombination) – ja, bei Wissenschaftlern dreht sich alles um die Backcronyme –, zu der auch das Wunderkind-Genbearbeitungstool CRISPR-Cas9 gehört. Mit CRISPR haben sie große Teile des E. coli-Bakteriengenoms, die in einem Reagenzglas völlig neu hergestellt wurden, präzise herausgeschnitten und dann mehr als 18,000 Vorkommen „zusätzlicher“ Codons, die für Serin kodieren, durch Synonymcodons ersetzt.

Da der Trick nur auf redundanten Proteincode abzielte, konnten die Zellen ihrer normalen Arbeit nachgehen – einschließlich der Herstellung von Serin –, jetzt jedoch mit mehreren freien natürlichen Codons. Es ist, als würde man „hi“ durch „oy“ ersetzen und „hi“ nun eine völlig andere Bedeutung zuweisen.

Als nächstes machte das Team eine Hausreinigung. Sie entfernten die natürlichen Übersetzer der Zellen – die tRNAs –, die normalerweise die jetzt nicht mehr existierenden Codons lesen, ohne die Zellen zu schädigen. Sie führten neue synthetische Versionen von tRNAs ein, um die neuen Codons zu lesen. Die manipulierten Bakterien wurden dann auf natürliche Weise in einem Reagenzglas entwickelt, um schneller zu wachsen.

Die Ergebnisse waren spektakulär. Der übermächtige Stamm Syn61.Δ3(ev5) ist im Grunde ein bakterieller X-Men, der schnell wächst und gegen einen Cocktail verschiedener Viren resistent ist, die normalerweise Bakterien infizieren.

„Da die gesamte Biologie denselben genetischen Code verwendet, dieselben 64 Codons und dieselben 20 Aminosäuren, bedeutet das, dass Viren auch denselben Code verwenden … sie verwenden die Maschinerie der Zelle, um die viralen Proteine ​​​​zu bauen, um das Virus zu reproduzieren“, erklärte Chin. Jetzt, da die Bakterienzelle den standardmäßigen genetischen Code der Natur nicht mehr lesen kann, kann das Virus die Bakterienmaschinerie nicht mehr anzapfen, um sich zu reproduzieren – was bedeutet, dass die manipulierten Zellen jetzt resistent gegen die Entführung durch fast jeden viralen Eindringling sind.

„Diese Bakterien könnten in erneuerbare und programmierbare Fabriken umgewandelt werden, die eine breite Palette neuer Moleküle mit neuartigen Eigenschaften produzieren, die Vorteile für die Biotechnologie und Medizin haben könnten, einschließlich der Herstellung neuer Medikamente wie neuer Antibiotika“, sagte Chin.

Abgesehen von der Virusinfektion schreibt die Studie neu, was für die synthetische Biologie möglich ist.

„Das wird unzählige Anwendungen ermöglichen“, sagten Jewel und Chatterjee, etwa vollständig künstliche Biopolymere, also biologisch verträgliche Materialien, die ganze Disziplinen verändern könnten, wie z Medizin or Gehirn-Maschine-Schnittstellen. Hier gelang es dem Team, eine Kette künstlicher Aminosäurebausteine ​​zu einer Art Molekül aneinanderzureihen, das die Basis einiger Medikamente, etwa gegen Krebs oder Antibiotika, bildet.

Aber die vielleicht aufregendste Aussicht ist die Fähigkeit, das bestehende Leben dramatisch umzuschreiben. Ähnlich wie Bakterien operieren wir – und alles Leben in der Biosphäre – nach demselben biologischen Code. Die Studie zeigt nun, dass es möglich ist, die Hürde von nur 20 Aminosäuren, die die Bausteine ​​des Lebens bilden, zu überwinden, indem wir unsere natürlichen biologischen Prozesse anzapfen.

Als nächstes versucht das Team, unseren natürlichen biologischen Code möglicherweise weiter umzuprogrammieren, um noch mehr synthetische Proteinbausteine ​​in Bakterienzellen zu codieren. Sie bewegen sich auch in Richtung anderer Zellen – zum Beispiel Säugetierzellen, um zu sehen, ob es möglich ist, unseren genetischen Code zu komprimieren.

Bild-Kredit: nadya_il für Pixabay

Quelle: https://singularityhub.com/2021/06/08/scientists-used-crispr-to-engineer-a-new-superbug-thats-invincible-to-all-viruses/