Teadlased kasutasid CRISPR-i, et välja töötada uus "superbug", mis on võitmatu kõigile viirustele

Kas me saame olemasolevat elu suvaliselt ümber programmeerida?

Sünteetiliste bioloogide jaoks on vastus jaatav. Bioloogia keskne kood on lihtne. DNA tähed tõlgitakse kolmeliikmelistes rühmades aminohapeteks – legoklokkideks, mis toodavad valke. Valgud ehitavad üles meie keha, reguleerivad ainevahetust ja võimaldavad meil elusolenditena toimida. Kohandatud valkude kujundamine tähendab sageli, et saate ümber kujundada elu väikesed aspektid – näiteks panna bakter välja pumpama elupäästvaid ravimeid, nagu insuliin.

Kogu elu Maal järgib seda reeglit: 64 DNA kolmikkoodi ehk "koodoni" kombinatsioon tõlgitakse 20 aminohappeks.

Aga oota. Matemaatika ei lähe kokku. Miks ei võiks 64 spetsiaalset koodonit moodustada 64 aminohapet? Põhjuseks koondamine. Elu arenes nii, et mitu koodonit toodavad sageli sama aminohapet.

Mis siis, kui kasutaksime kõigi elusolendite üleliigseid "lisa" koodoneid ja sisestaksime selle asemel oma koodi?

Cambridge'i ülikooli meeskond tegi hiljuti just seda. Sees tehnoloogiline tour de force, nad kasutasid CRISPR asendada üle 18,000 XNUMX koodoni sünteetiliste aminohapetega, mida looduses ei eksisteeri. Tulemuseks on bakter, mis on praktiliselt resistentne kõikide viirusnakkuste suhtes, kuna sellel puuduvad normaalsed valgu "ukselingid", mida viirused vajavad raku nakatamiseks.

Kuid see on alles insenerielu superjõudude algus. Seni on teadlased suutnud elusorganismi libistada vaid ühe disaineraminohappe. Uus töö avab ukse mitme olemasoleva koodoni korraga häkkimiseks, kopeerides samal ajal vähemalt kolme sünteetilist aminohapet. Ja kui see on 3 20-st, piisab sellest, et kirjutada elu põhjalikult ümber sellisena, nagu see Maal eksisteerib.

Oleme pikka aega arvanud, et "... koodonite alamhulga vabastamine ümbermääramiseks võib parandada geneetilise koodi laiendamise tehnoloogia tugevust ja mitmekülgsust," kirjutas dr. Delilah Jewel ja Abhishek Chatterjee Bostoni kolledžis, kes ei osalenud uuringus. "See töö muudab selle unistuse elegantselt reaalsuseks."

DNA koodi häkkimine

Meie geneetiline kood on elu, pärandi ja evolutsiooni aluseks. Kuid see toimib ainult valkude abil.

Programm DNA nelja tähega kirjutatud geenide tegelikeks elu ehitusplokkideks tõlkimiseks tugineb täielikule raku dekrüpteerimistehasele.

Mõelge DNA tähtedele – A, T, C ja G – kui salakoodile, mis on kirjutatud pooli ümber mähitud pikale kortsuspaberile. Kolmest tähest või koodonist koosnevad rühmad on tuumaks – need kodeerivad, millist aminohapet rakk toodab. Messenger molekul (mRNA), omamoodi spioon, kopeerib vargsi DNA sõnumit ja hiilib tagasi rakumaailma, edastades sõnumi raku valgutehasesse – omamoodi keskse luureorganisatsiooni.

Seal värbab tehas mitu "tõlkijat", et dešifreerida geneetiline kood aminohapeteks, mida nimetatakse sobivalt tRNA-deks. Tähed on rühmitatud kolmeks ja iga translaator tRNA veab füüsiliselt ükshaaval oma seotud aminohappe valgutehasesse, nii et tehas teeb lõpuks ahela, mis mähib 3D-valguks.

Kuid nagu iga tugev kood, on loodus programmeerinud oma DNA-st valguks translatsiooni protsessi liiasuse. Näiteks DNA koodid TCG, TCA, AGC ja AGT kodeerivad kõik ühte aminohapet seriini. Kuigi see töötab bioloogias, mõtlesid autorid: mis siis, kui me kasutaksime seda koodi, kaaperdaksime selle ja suunaksime mõned elusuunad ümber, kasutades sünteetilisi aminohappeid?

Looduskoodi kaaperdamine

Uues uuringus nähakse looduse liiasust kui võimalust rakkudesse uute võimete juurutamiseks.

Meie jaoks oli üks küsimus: "kas saaksite vähendada koodonite arvu, mida kasutatakse konkreetse aminohappe kodeerimiseks, ja seeläbi luua koodoneid, mis võivad vabalt luua muid monomeere [aminohappeid]?" küsis juhtiv autor dr Jason Chin.

Näiteks kui TCG on seriini jaoks, siis miks mitte vabastada teised – TCA, AGC ja AGT – millekski muuks?

See on teoreetiliselt suurepärane idee, kuid praktikas tõeliselt heidutav ülesanne. See tähendab, et meeskond peab minema rakku ja asendama iga üksiku koodoni, mida nad tahavad ümber programmeerida. Mõni aasta tagasi näitas sama grupp, et see on võimalik E. Coli, labori ja farmaatsia lemmikviga. Sel ajal tegi meeskond sünteetilises bioloogias astronoomilise hüppe, sünteesides kogu E. Coli genoom nullist. Protsessi käigus mängisid nad ringi ka loodusliku genoomiga, lihtsustades seda, asendades mõned aminohappekoodonid nende sünonüümidega – näiteks eemaldades TCG-d ja asendades need AGC-dega. Isegi muudatustega suutsid bakterid kergesti areneda ja paljuneda.

See on nagu väga pikk raamat ja nuputamine, millised sõnad asendada sünonüümidega ilma lausete tähendust muutmata – et toimetused ei kahjustaks füüsiliselt bakterite ellujäämist. Üks trikk oli näiteks valgu, mida nimetatakse vabastamisteguriks 1, kustutamine, mis muudab UAG-koodoni ümberprogrammeerimise uhiuue aminohappega lihtsamaks. Varasemad tööd näitasid, et see võib määrata uusi ehitusplokke looduslikele koodonitele, mis on tõeliselt "tühjad" - see tähendab, et nad ei kodeeri loomulikult midagi.

Sünteetiline olend

Chini meeskond viis selle palju kaugemale.

Meeskond töötas välja meetodi nimega REXER (replikoni väljalõikamine genoomi täiustatud konstrueerimiseks programmeeritud rekombinatsiooni abil) – jah, teadlased tegelevad tagakronüümidega –, mis hõlmab Wunderkindi geenide redigeerimise tööriista CRISPR-Cas9. CRISPR-iga lõikasid nad täpselt välja suured osad E. coli bakteri genoomist, mis tehti täielikult nullist katseklaasis, ja seejärel asendasid enam kui 18,000 XNUMX seriini kodeerivat "lisa" koodonit sünonüümkoodonitega.

Kuna trikk oli suunatud ainult üleliigsele valgukoodile, suutsid rakud jätkata oma tavapärast tegevust, sealhulgas seriini tootmist, kuid nüüd mitme loodusliku koodonita. See on nagu "tere" asendamine sõnaga "oy", muutes "tere" nüüd täiesti erineva tähenduse.

Järgmisena koristas meeskond maja. Nad eemaldasid rakkude loomulikud translaatorid – tRNA-d –, mis tavaliselt loevad nüüdseks kadunud koodoneid rakke kahjustamata. Nad tutvustasid uute koodonite lugemiseks tRNA-de uusi sünteetilisi versioone. Seejärel aretati konstrueeritud bakterid katseklaasis loomulikult välja, et kiiremini kasvada.

Tulemused olid suurejoonelised. Ülivõimsusega tüvi Syn61.Δ3(ev5) on põhimõtteliselt bakteriaalne X-Men, mis kasvab kiiresti ja on resistentne erinevate viiruste kokteili suhtes, mis tavaliselt nakatavad baktereid.

"Kuna kogu bioloogia kasutab sama geneetilist koodi, samu 64 koodonit ja samu 20 aminohapet, tähendab see, et ka viirused kasutavad sama koodi ... nad kasutavad raku masinaid viiruse valkude ehitamiseks viiruse paljundamiseks," selgitas Chin. Nüüd, kui bakterirakk ei suuda enam lugeda looduse standardset geneetilist koodi, ei saa viirus enam paljunemiseks bakterimasinatesse puutuda – see tähendab, et konstrueeritud rakud on nüüd vastupidavad peaaegu iga viiruse sissetungijate kaaperdamisele.

"Neid baktereid võib muuta taastuvateks ja programmeeritavateks tehasteks, mis toodavad laias valikus uusi uudsete omadustega molekule, millest võib olla kasu biotehnoloogiale ja meditsiinile, sealhulgas uute ravimite, näiteks uute antibiootikumide valmistamisele," ütles Chin.

Kui viirusinfektsioon kõrvale jätta, kirjutab uuring ümber sünteetilise bioloogia jaoks võimaliku.

"See võimaldab lugematuid rakendusi," ütles Jewel ja Chatterjee, näiteks täiesti kunstlikud biopolümeerid, st bioloogiaga ühilduvad materjalid, mis võivad muuta terveid distsipliine, nagu näiteks meditsiin or aju-masina liidesed. Siin suutis meeskond kokku panna kunstlike aminohapete ehitusplokkide ahela, et luua teatud tüüpi molekul, mis on mõne ravimi, näiteks vähiravimite või antibiootikumide aluseks.

Kuid võib-olla kõige põnevam väljavaade on võimalus olemasolevat elu dramaatiliselt ümber kirjutada. Sarnaselt bakteritele toimime ka meie – ja kogu biosfääri elu – sama bioloogilise koodi alusel. Uuring näitab nüüd, et meie looduslike bioloogiliste protsesside abil on võimalik ületada vaid 20 aminohapet, mis moodustavad elu ehitusplokid.

Järgmisena soovib meeskond potentsiaalselt veelgi ümber programmeerida meie looduslikku bioloogilist koodi, et kodeerida bakterirakkudesse veelgi sünteetilisi valgu ehitusplokke. Nad liiguvad ka teiste rakkude – näiteks imetajate – poole, et näha, kas meie geneetilist koodi on võimalik kokku suruda.

Image Credit: nadya_il Alates Pixabay

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