Οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν το CRISPR για να δημιουργήσουν ένα νέο «Superbug» που είναι ανίκητο σε όλους τους ιούς

Μπορούμε να επαναπρογραμματίσουμε την υπάρχουσα ζωή κατά βούληση;

Για τους συνθετικούς βιολόγους, η απάντηση είναι ναι. Ο κεντρικός κώδικας για τη βιολογία είναι απλός. Τα γράμματα DNA, σε ομάδες των τριών, μεταφράζονται σε αμινοξέα - μπλοκ Lego που παράγουν πρωτεΐνες. Οι πρωτεΐνες χτίζουν το σώμα μας, ρυθμίζουν το μεταβολισμό μας και μας επιτρέπουν να λειτουργούμε ως ζωντανά όντα. Ο σχεδιασμός προσαρμοσμένων πρωτεϊνών συχνά σημαίνει ότι μπορείτε να επανασχεδιάσετε μικρές πτυχές της ζωής - για παράδειγμα, να κάνετε βακτήρια να αντλούν σωστικά φάρμακα όπως η ινσουλίνη.

Όλη η ζωή στη Γη ακολουθεί αυτόν τον κανόνα: ένας συνδυασμός 64 κωδίκων τριπλού DNA ή «κωδικονίων» μεταφράζεται σε 20 αμινοξέα.

Αλλά περίμενε. Τα μαθηματικά δεν προστίθενται. Γιατί τα 64 αποκλειστικά κωδικόνια δεν παράγουν 64 αμινοξέα; Ο λόγος είναι η απόλυση. Η ζωή εξελίχθηκε έτσι ώστε πολλαπλά κωδικόνια να παράγουν συχνά το ίδιο αμινοξύ.

Τι γίνεται λοιπόν αν χρησιμοποιήσουμε αυτά τα πλεονάζοντα «επιπλέον» κωδικόνια όλων των ζωντανών όντων και αντ 'αυτού εισαγάγουμε τον δικό μας κωδικό;

Μια ομάδα στο Πανεπιστήμιο του Κέιμπριτζ πρόσφατα έκανε ακριβώς αυτό. Σε ένα τεχνολογική περιοδεία de force, χρησιμοποίησαν CRISPR να αντικαταστήσει πάνω από 18,000 κωδικόνια με συνθετικά αμινοξέα που δεν υπάρχουν πουθενά στον φυσικό κόσμο. Το αποτέλεσμα είναι ένα βακτήριο που είναι ουσιαστικά ανθεκτικό σε όλες τις ιογενείς λοιμώξεις - επειδή στερείται της κανονικής πρωτεΐνης "λαβές πόρτας" που οι ιοί πρέπει να μολύνουν το κύτταρο.

Αλλά αυτή είναι μόνο η αρχή των υπερδυνάμεων της ζωής της μηχανικής. Μέχρι τώρα, οι επιστήμονες μπόρεσαν να εισχωρήσουν μόνο ένα αμινοξύ σε έναν ζωντανό οργανισμό. Η νέα δουλειά ανοίγει την πόρτα σε hacking πολλά υπάρχοντα κωδικόνια ταυτόχρονα, αντιγράφοντας ταυτόχρονα τουλάχιστον τρία συνθετικά αμινοξέα. Και όταν είναι 3 στα 20, αυτό είναι αρκετό για να ξαναγράψουμε ριζικά τη ζωή όπως υπάρχει στη Γη.

Εδώ και πολύ καιρό πιστεύουμε ότι «η απελευθέρωση ενός υποσυνόλου… κωδικονίων για επανατοποθέτηση θα μπορούσε να βελτιώσει την ευρωστία και την ευελιξία της τεχνολογίας επέκτασης γενετικού κώδικα», έγραψε ο Δρ. Η Delilah Jewel και ο Abhishek Chatterjee στο Boston College, που δεν συμμετείχαν στη μελέτη. "Αυτό το έργο μεταμορφώνει κομψά αυτό το όνειρο σε πραγματικότητα."

Παραβίαση του κώδικα DNA

Ο γενετικός μας κώδικας βασίζεται στη ζωή, την κληρονομιά και την εξέλιξη. Αλλά λειτουργεί μόνο με τη βοήθεια πρωτεϊνών.

Το πρόγραμμα για τη μετάφραση γονιδίων, γραμμένο με τέσσερα γράμματα του DNA, στα πραγματικά δομικά στοιχεία της ζωής βασίζεται σε ένα πλήρες εργοστάσιο αποκρυπτογράφησης.

Σκεφτείτε τα γράμματα του DNA - A, T, C και G - ως μυστικό κωδικό, γραμμένο σε ένα μακρύ ολισθηρό χαρτί τσαλακωμένο τυλιγμένο γύρω από ένα καρούλι. Ομάδες τριών «γραμμάτων» ή κωδικονίων, είναι ο πυρήνας - κωδικοποιούν το αμινοξύ που παράγει ένα κύτταρο. Ένα μόριο αγγελιοφόρου (mRNA), ένας κατάσκοπος, αντιγράφει κρυφά το μήνυμα DNA και επιστρέφει πίσω στον κυτταρικό κόσμο, μεταφέροντας το μήνυμα στο εργοστάσιο πρωτεϊνών του κυττάρου - ένα είδος κεντρικής οργάνωσης πληροφοριών.

Εκεί, το εργοστάσιο προσλαμβάνει πολλούς «μεταφραστές» για να αποκρυπτογραφήσει τον γενετικό κώδικα σε αμινοξέα, που ονομάζεται κατάλληλα tRNA. Τα γράμματα ομαδοποιούνται σε τρία, και κάθε μεταφραστής tRNA σύρει φυσικά το σχετικό αμινοξύ του στο εργοστάσιο πρωτεΐνης, ένα προς ένα, έτσι ώστε το εργοστάσιο τελικά να κάνει μια αλυσίδα που τυλίγεται σε τρισδιάστατη πρωτεΐνη.

Όμως, όπως κάθε ισχυρός κώδικας, η φύση έχει προγραμματίσει την απόλυση στη διαδικασία μετάφρασης DNA-σε-πρωτεΐνη. Για παράδειγμα, οι κωδικοί DNA TCG, TCA, AGC και AGT κωδικοποιούν όλα για ένα μόνο αμινοξύ, σερίνη. Ενώ λειτουργεί στη βιολογία, οι συγγραφείς αναρωτήθηκαν: τι γίνεται αν αξιοποιήσουμε αυτόν τον κώδικα, τον εισβάλουμε και ανακατευθύνουμε μερικές από τις κατευθύνσεις της ζωής χρησιμοποιώντας συνθετικά αμινοξέα;

Παραβίαση του φυσικού κώδικα

Η νέα μελέτη βλέπει τον πλεονασμό της φύσης ως έναν τρόπο εισαγωγής νέων δυνατοτήτων στα κύτταρα.

Για εμάς, ένα ερώτημα ήταν "θα μπορούσατε να μειώσετε τον αριθμό των κωδικονίων που χρησιμοποιούνται για την κωδικοποίηση ενός συγκεκριμένου αμινοξέος και, επομένως, να δημιουργήσετε κωδικόνια που είναι ελεύθερα να δημιουργούν άλλα μονομερή [αμινοξέα];" ρώτησε ο κύριος συγγραφέας Δρ Jason Chin.

Για παράδειγμα, εάν το TCG είναι για σερίνη, γιατί να μην ελευθερώσετε τους άλλους - TCA, AGC και AGT - για κάτι άλλο;

Είναι μια σπουδαία ιδέα στη θεωρία, αλλά στην πράξη ένα πραγματικά τρομακτικό έργο. Αυτό σημαίνει ότι η ομάδα πρέπει να εισέλθει σε ένα κελί και να αντικαταστήσει κάθε κωδικόνιο που θέλει να επαναπρογραμματίσει. Λίγα χρόνια πίσω, η ίδια ομάδα έδειξε ότι είναι πιθανό Ε. Coli, το αγαπημένο σφάλμα του εργαστηρίου και της φαρμακευτικής. Εκείνη την εποχή, η ομάδα έκανε ένα αστρονομικό άλμα στη συνθετική βιολογία συνθέτοντας το σύνολο Ε. Coli γονιδίωμα από το μηδέν. Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας, έπαιξαν επίσης με το φυσικό γονιδίωμα, απλοποιώντας το αντικαθιστώντας ορισμένα κωδικόνια αμινοξέων με τα συνώνυμα τους — ας πούμε, αφαιρώντας TCGs και αντικαθιστώντας τα με AGC. Ακόμη και με τις τροποποιήσεις, τα βακτήρια ήταν σε θέση να ευδοκιμήσουν και να αναπαραχθούν εύκολα.

Είναι σαν να παίρνεις ένα πολύ μεγάλο βιβλίο και να καταλαβαίνεις ποιες λέξεις θα αντικαταστήσεις με συνώνυμα χωρίς να αλλάζεις το νόημα των προτάσεων - έτσι ώστε οι τροποποιήσεις να μην βλάπτουν φυσικά την επιβίωση των βακτηρίων. Ένα τέχνασμα, για παράδειγμα, ήταν να διαγράψετε μια πρωτεΐνη που ονομάζεται «παράγοντας απελευθέρωσης 1», γεγονός που καθιστά ευκολότερη τον επαναπρογραμματισμό του κωδικονίου UAG με ένα ολοκαίνουργιο αμινοξύ. Προηγούμενη εργασία έδειξε ότι αυτό μπορεί να αντιστοιχίσει νέα δομικά στοιχεία σε φυσικά κωδικόνια που είναι πραγματικά «κενά» - δηλαδή, δεν κωδικοποιούν τίποτα φυσικά.

Ένα συνθετικό πλάσμα

Η ομάδα του Τσιν το πήγε πολύ πιο μακριά.

Η ομάδα έφτιαξε μια μέθοδο που ονομάζεται REXER (εκτομή αντιγράφου για βελτιωμένη μηχανική γονιδιώματος μέσω προγραμματισμένου ανασυνδυασμού)—ναι, οι επιστήμονες ασχολούνται αποκλειστικά με τα βασικά συνώνυμα—η οποία περιλαμβάνει το εργαλείο επεξεργασίας γονιδίων wunderkind, CRISPR-Cas9. Με το CRISPR, απέκοψαν με ακρίβεια μεγάλα τμήματα του βακτηριακού γονιδιώματος του E. coli, κατασκευασμένα εξ ολοκλήρου από την αρχή μέσα σε έναν δοκιμαστικό σωλήνα και στη συνέχεια αντικατέστησαν περισσότερες από 18,000 εμφανίσεις «επιπλέον» κωδικονίων που κωδικοποιούν για τη σερίνη με συνώνυμα κωδικόνια.

Επειδή το κόλπο στόχευε μόνο τον περιττό πρωτεϊνικό κώδικα, τα κύτταρα ήταν σε θέση να συνεχίσουν τις συνήθεις εργασίες τους - συμπεριλαμβανομένης της παραγωγής σερίνης - αλλά τώρα με πολλά φυσικά κωδικόνια χωρίς. Είναι σαν να αντικαθιστάς το "γεια" με το "oy", καθιστώντας το "γεια" τώρα ελεύθερο να του αποδοθεί εντελώς διαφορετικό νόημα.

Η ομάδα έπειτα έκανε κάποιο καθαρισμό σπιτιού. Αφαίρεσαν τους φυσικούς μεταφραστές των κυττάρων - τα tRNAs - που συνήθως διαβάζουν τα κωδικοποιημένα τώρα που δεν λειτουργούν χωρίς να βλάπτουν τα κύτταρα. Εισήγαγαν νέες συνθετικές εκδόσεις tRNA για να διαβάσουν τα νέα κωδικόνια. Τα τροποποιημένα βακτήρια στη συνέχεια εξελίχθηκαν φυσικά μέσα σε έναν δοκιμαστικό σωλήνα για να αναπτυχθούν πιο γρήγορα.

Τα αποτελέσματα ήταν θεαματικά. Το υπερδύναμο στέλεχος, Syn61.Δ3(ev5), είναι βασικά ένα βακτηριακό X-Men που αναπτύσσεται γρήγορα και είναι ανθεκτικό σε ένα κοκτέιλ διαφορετικών ιών που συνήθως προσβάλλουν βακτήρια.

«Επειδή όλη η βιολογία χρησιμοποιεί τον ίδιο γενετικό κώδικα, τα ίδια 64 κωδικόνια και τα ίδια 20 αμινοξέα, αυτό σημαίνει ότι οι ιοί χρησιμοποιούν επίσης τον ίδιο κωδικό… χρησιμοποιούν τα μηχανήματα του κυττάρου για να χτίσουν τις ιικές πρωτεΐνες για την αναπαραγωγή του ιού», εξήγησε ο Chin. Τώρα που το βακτηριακό κύτταρο δεν μπορεί πλέον να διαβάσει τον τυπικό γενετικό κώδικα της φύσης, ο ιός δεν μπορεί πλέον να εισχωρήσει στα βακτηριακά μηχανήματα για αναπαραγωγή - που σημαίνει ότι τα κατασκευασμένα κύτταρα είναι πλέον ανθεκτικά στο να εισβάλλουν σε σχεδόν οποιονδήποτε ιικό εισβολέα.

«Αυτά τα βακτήρια μπορεί να μετατραπούν σε ανανεώσιμα και προγραμματιζόμενα εργοστάσια που παράγουν ένα ευρύ φάσμα νέων μορίων με νέες ιδιότητες, τα οποία θα μπορούσαν να έχουν οφέλη για τη βιοτεχνολογία και την ιατρική, συμπεριλαμβανομένης της παραγωγής νέων φαρμάκων, όπως τα νέα αντιβιοτικά», δήλωσε ο Chin.

Εκτός από την ιογενή λοίμωξη, η μελέτη ξαναγράφει ό, τι είναι δυνατό για τη συνθετική βιολογία.

"Αυτό θα επιτρέψει αμέτρητες εφαρμογές", δήλωσε ο Jewel και ο Chatterjee, όπως εντελώς τεχνητά βιοπολυμερή, δηλαδή υλικά συμβατά με τη βιολογία που θα μπορούσαν να αλλάξουν ολόκληρους κλάδους όπως ιατρική or διεπαφές εγκεφάλου-μηχανής. Εδώ, η ομάδα κατάφερε να δημιουργήσει μια αλυσίδα τεχνητών δομικών μονάδων αμινοξέων για να δημιουργήσει έναν τύπο μορίου που αποτελεί τη βάση ορισμένων φαρμάκων, όπως αυτά για τον καρκίνο ή τα αντιβιοτικά.

Αλλά ίσως η πιο συναρπαστική προοπτική είναι η ικανότητα να ξαναγράψουμε δραματικά την υπάρχουσα ζωή. Παρόμοια με τα βακτήρια, εμείς - και όλη η ζωή στη βιόσφαιρα - λειτουργούμε με τον ίδιο βιολογικό κώδικα. Η μελέτη δείχνει τώρα ότι είναι δυνατόν να ξεπεράσουμε το εμπόδιο μόνο 20 αμινοξέων που αποτελούν τα δομικά στοιχεία της ζωής, αξιοποιώντας τις φυσικές βιολογικές διαδικασίες μας.

Στη συνέχεια, η ομάδα προσπαθεί ενδεχομένως να επαναπρογραμματίσει τον φυσικό βιολογικό μας κώδικα για να κωδικοποιήσει ακόμη περισσότερα συνθετικά δομικά στοιχεία πρωτεϊνών σε βακτηριακά κύτταρα. Θα κινηθούν επίσης προς άλλα κύτταρα - θηλαστικά, για παράδειγμα, για να δουν αν είναι δυνατόν να συμπιέσουμε τον γενετικό μας κώδικα.

Image Credit: nadya_il από Pixabay

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