מדענים השתמשו ב- CRISPR כדי להנדס 'סופר-באג' חדש שאינו מנוצח לכל הנגיפים

האם אנו יכולים לתכנת מחדש את החיים הקיימים כרצוננו?

לביולוגים סינתטיים התשובה חיובית. הקוד המרכזי לביולוגיה הוא פשוט. אותיות DNA, בקבוצות של שלוש, מתורגמות לחומצות אמינו - גושי לגו שיוצרים חלבונים. חלבונים בונים את גופנו, מווסתים את חילוף החומרים שלנו ומאפשרים לנו לתפקד כיצורים חיים. תכנון חלבונים מותאמים אישית פירושו לעתים קרובות שתוכל לעצב מחדש היבטים קטנים בחיים - למשל לגרום לחיידק לשאוב תרופות מצילות חיים כמו אינסולין.

כל החיים על פני כדור הארץ מקיימים כלל זה: שילוב של 64 קודי שלישיות DNA, או "קודונים", מתורגמים ל -20 חומצות אמינו.

אבל חכה. המתמטיקה לא מסתכמת. מדוע 64 קודונים ייעודיים לא ייצרו 64 חומצות אמינו? הסיבה היא יתירות. החיים התפתחו כך שלעתים קרובות מספר קודונים מייצרים את אותה חומצת אמינו.

אז מה אם נקיש את אותם קודונים "מיותרים" מיותרים של כל היצורים החיים, ובמקום זאת נכניס את הקוד שלנו?

צוות באוניברסיטת קיימברידג 'עשה לאחרונה את זה. ב סיור טכנולוגי בכוח, הם השתמשו CRISPR להחליף מעל 18,000 קודונים בחומצות אמינו סינתטיות שלא קיימות בשום מקום בעולם הטבע. התוצאה היא חיידק העמיד למעשה בפני כל הזיהומים הנגיפיים - משום שחסר לו את "ידיות הדלת" החלבוניות הרגילות שנגיפים זקוקים להדבקת התא.

אבל זו רק ההתחלה של מעצמות החיים ההנדסיות. עד כה, מדענים הצליחו להחליק רק חומצת אמינו מעצבת לאורגניזם חי. העבודה החדשה פותחת את הדלת לפריצה למספר קודונים קיימים בבת אחת, ומעתיקה לפחות שלוש חומצות אמינו סינתטיות בו זמנית. וכאשר מדובר ב -3 מתוך 20, זה מספיק כדי לשכתב באופן בסיסי את החיים כפי שהם קיימים על פני כדור הארץ.

זמן רב חשבנו ש"שחרור קבוצת משנה של ... קודונים לשינוי מחדש יכול לשפר את החוסן והרב-תכליתיות של טכנולוגיית הרחבת הקוד הגנטי ", כתב ד"ר. דלילה ג'ול ואבישק צ'טרג'י במכללת בוסטון, שלא היו מעורבים במחקר. "עבודה זו הופכת את החלום באלגנטיות למציאות."

פריצת קוד ה- DNA

הקוד הגנטי שלנו עומד בבסיס החיים, הירושה וההתפתחות. אבל זה עובד רק בעזרת חלבונים.

התוכנית לתרגום גנים, הכתובה בארבע האותיות של ה- DNA, לאבני הבניין של החיים נשענת על מפעל פענוח סלולרי מלא.

חשוב על האותיות של ה- DNA - A, T, C ו- G - כקוד סודי, שנכתב על פיסת נייר מקומטת ארוכה העטופה סביב סליל. קבוצות של שלוש "אותיות", או קודונים, הן עיקרן - הן מקודדות איזו חומצת אמינו תא מייצר. מולקולת שליח (mRNA), מרגל מסוג אחר, מעתיקה בחשאי את הודעת ה- DNA ומתגנבת חזרה לעולם הסלולר, מעבירה את המסר למפעל החלבונים של התא - מעין ארגון מודיעין מרכזי.

שם, המפעל מגייס "מתרגמים" מרובים לפענוח הקוד הגנטי לחומצות אמינו, הנקראות בשם tRNAs. האותיות מקובצות בשלשות, וכל מתרגם tRNA גורר פיזית את חומצת האמינו המשויכת אליו למפעל החלבונים, בזה אחר זה, כך שבסופו של דבר המפעל מייצר שרשרת העוטפת לחלבון תלת ממדי.

אך כמו כל קוד חזק, הטבע תיכנן יתירות לתהליך התרגום שלו ל- DNA לחלבון. לדוגמה, קודי ה- DNA TCG, TCA, AGC ו- AGT מקודדים כולם עבור חומצת אמינו אחת, סרין. בעוד שזה עובד בביולוגיה, תהו המחברים: מה אם נקלע לקוד הזה, נחטוף אותו ונתבשר חלק מכיווני החיים באמצעות חומצות אמינו סינתטיות?

חטיפת הקוד הטבעי

המחקר החדש רואה את יתירות הטבע כדרך להכניס יכולות חדשות לתאים.

מבחינתנו, שאלה אחת הייתה "האם תוכל להפחית את מספר הקודונים המשמשים לקידוד חומצת אמינו מסוימת, ובכך ליצור קודונים החופשיים ליצירת מונומרים אחרים [חומצות אמינו]?" שאל הסופר הראשי ד"ר ג'ייסון צ'ין.

למשל, אם TCG מיועד לסרין, מדוע לא לפנות את האחרים - TCA, AGC ו- AGT - למשהו אחר?

זה רעיון נהדר בתיאוריה, אבל משימה מרתיעה באמת בפועל. המשמעות היא שהצוות צריך להיכנס לתא ולהחליף כל קודון אחד שהם רוצים לתכנת מחדש. לפני כמה שנים, אותה קבוצה הראתה שזה אפשרי ב חיידק E. coli, המעבדה והבאג האהוב על התרופות. באותה תקופה הצוות עשה קפיצה אסטרונומית בביולוגיה הסינתטית על ידי סינתזה של כל זה חיידק E. coli הגנום מאפס. במהלך התהליך הם גם שיחקו עם הגנום הטבעי, תוך שהם מפשטים אותו על ידי החלפת כמה קודונים של חומצות אמיניות במילים נרדפות שלהם - נניח, הסרת TCG והחלפתם ב- AGC. גם עם השינויים, החיידקים הצליחו לשגשג ולהתרבות בקלות.

זה כמו לקחת ספר ארוך מאוד ולברר אילו מילים להחליף במילים נרדפות מבלי לשנות את משמעות המשפטים - כך שהעריכות לא יפגעו פיזית בהישרדות החיידק. טריק אחד, למשל, היה למחוק חלבון המכונה "גורם שחרור 1", שמקל על תכנות מחדש של קודון ה- UAG עם חומצת אמינו חדשה. עבודה קודמת הראתה שהדבר יכול להקצות אבני בניין חדשות לקודונים טבעיים שהם "ריקים" באמת - כלומר, הם לא מקודדים שום דבר באופן טבעי בכל מקרה.

יצור סינטטי

הצוות של הסנטר לקח את זה הרבה יותר רחוק.

הצוות הכין שיטה שנקראת REXER (כריתת רפליקון להנדסת גנום משופרת באמצעות ריקומבינציה מתוכנתת) - כן, מדענים עוסקים כולם בכתיבת האחורי - הכוללת את הכלי לעריכת הגנים Wunderkind, CRISPR-Cas9. עם CRISPR, הם חתכו במדויק חלקים גדולים מהגנום של חיידקי E. coli, שנוצרו כולו מאפס בתוך מבחנה, ולאחר מכן החליפו יותר מ-18,000 מופעים של קודונים 'נוספים' המקודדים לסרין עם קודונים נרדפים.

מכיוון שהטריק כוון רק לקוד חלבון מיותר, התאים יכלו לעשות את העסקים הרגילים שלהם - כולל ייצור סרין - אבל עכשיו עם מספר קודונים טבעיים חופשיים. זה כמו להחליף את ה"היי" ב"אוי", מה שהופך את ה"היי" לחופשי כעת כדי להקצות לו משמעות אחרת לגמרי.

הצוות עשה ניקיון בתים. הם הסירו את המתרגמים הטבעיים של התאים - ה- tRNAs - שקוראים בדרך כלל את הקודנים שהסתיימו כעת מבלי לפגוע בתאים. הם הציגו גרסאות סינתטיות חדשות של tRNA לקריאת הקודונים החדשים. החיידקים המהונדסים התפתחו אז באופן טבעי בתוך מבחנה כדי לצמוח במהירות רבה יותר.

התוצאות היו מרהיבות. הזן בעל הכוח, Syn61.Δ3(ev5), הוא בעצם X-Men חיידקי שגדל במהירות ועמיד בפני קוקטייל של וירוסים שונים שבדרך כלל מדביקים חיידקים.

"מכיוון שכל הביולוגיה משתמשת באותו קוד גנטי, באותם 64 קודונים ובאותם 20 חומצות אמינו, פירוש הדבר שנגיפים גם משתמשים באותו קוד ... הם משתמשים במכונות התא כדי לבנות את החלבונים הנגיפיים להעתקת הנגיף," הסביר הסנטר. כעת, כאשר תא החיידקים אינו יכול עוד לקרוא את הקוד הגנטי הסטנדרטי של הטבע, הנגיף אינו יכול עוד להיכנס למנגנון החיידקים כדי להתרבות - כלומר התאים המהונדסים עמידים כעת בפני חטיפה כמעט על ידי כל פולש ויראלי.

"ניתן להפוך חיידקים אלה למפעלים מתחדשים ומתוכנתים המייצרים מגוון רחב של מולקולות חדשות בעלות תכונות חדשניות, אשר עשויות להיות להן יתרונות לביוטכנולוגיה ולרפואה, כולל ייצור תרופות חדשות, כגון אנטיביוטיקה חדשה," אמר צ'ין.

מלבד זיהום נגיפי, המחקר משכתב את מה שאפשר לביולוגיה סינתטית.

"זה יאפשר אינספור יישומים," אמרו Jewel ו- Chatterjee, כגון פולימרים ביולוגיים מלאכותיים לחלוטין, כלומר חומרים התואמים לביולוגיה שיכולים לשנות תחומים שלמים כגון רפואה or ממשקי מכונה למוח. כאן הצוות הצליח למתוח שרשרת של אבני בניין מלאכותיות של חומצות אמינו כדי ליצור סוג של מולקולה המהווה בסיס לכמה תרופות, כמו למשל לסרטן או לאנטיביוטיקה.

אבל אולי הסיכוי המרגש ביותר הוא היכולת לשכתב באופן דרמטי את החיים הקיימים. בדומה לחיידקים, אנו - וכל החיים בביוספרה - פועלים על פי אותו קוד ביולוגי. המחקר מראה כעת כי ניתן לעבור את המשוכה של 20 חומצות אמינו בלבד המרכיבות את אבני היסוד של החיים על ידי שימוש בתהליכים הביולוגיים הטבעיים שלנו.

בשלב הבא, הצוות מחפש לתכנת מחדש את הקוד הביולוגי הטבעי שלנו כדי לקודד עוד יותר אבני בניין של חלבונים סינתטיים לתאי חיידקים. הם יעברו גם לעבר תאים אחרים - יונקים, למשל, כדי לראות אם אפשר לדחוס את הקוד הגנטי שלנו.

תמונת אשראי: nadya_il החל מ- pixabay

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