Wetenschappers hebben CRISPR gebruikt om een ​​nieuwe 'Superbug' te ontwikkelen die onoverwinnelijk is voor alle virussen

Kunnen we het bestaande leven naar believen herprogrammeren?

Voor synthetische biologen is het antwoord ja. De centrale code voor biologie is eenvoudig. DNA-letters, in groepen van drie, worden vertaald in aminozuren - Lego-blokken die eiwitten maken. Eiwitten bouwen ons lichaam op, reguleren ons metabolisme en stellen ons in staat om als levende wezens te functioneren. Het ontwerpen van aangepaste eiwitten betekent vaak dat je kleine aspecten van het leven opnieuw kunt ontwerpen, bijvoorbeeld door een bacterie levensreddende medicijnen zoals insuline te laten pompen.

Al het leven op aarde volgt deze regel: een combinatie van 64 DNA-tripletcodes, of "codons", worden vertaald in 20 aminozuren.

Maar wacht. De wiskunde klopt niet. Waarom zouden 64 speciale codons geen 64 aminozuren maken? Reden is redundantie. Het leven is zo geëvolueerd dat meerdere codons vaak hetzelfde aminozuur maken.

Dus wat als we die overtollige "extra" codons van alle levende wezens aanboren en in plaats daarvan onze eigen code invoegen?

Een team van de Universiteit van Cambridge deed dat onlangs. In een technologisch hoogstandje, zij gebruikten CRISPR om meer dan 18,000 codons te vervangen door synthetische aminozuren die nergens in de natuurlijke wereld voorkomen. Het resultaat is een bacterie die vrijwel resistent is tegen alle virale infecties, omdat het de normale eiwit "deurklinken" mist die virussen nodig hebben om de cel te infecteren.

Maar dat is nog maar het begin van de superkrachten van het leven. Tot nu toe hebben wetenschappers slechts één designer-aminozuur in een levend organisme kunnen schuiven. Het nieuwe werk opent de deur naar het hacken van meerdere bestaande codons tegelijk, waarbij ten minste drie synthetische aminozuren tegelijkertijd worden gekopieerd. En als het 3 van de 20 is, is dat genoeg om het leven zoals het op aarde bestaat fundamenteel te herschrijven.

We hebben lang gedacht dat "het vrijmaken van een subset van ... codons voor hertoewijzing de robuustheid en veelzijdigheid van genetische code-expansietechnologie zou kunnen verbeteren", schreef Drs. Delilah Jewel en Abhishek Chatterjee van het Boston College, die niet bij het onderzoek betrokken waren. "Dit werk transformeert die droom op elegante wijze in een realiteit."

De DNA-code hacken

Onze genetische code ligt ten grondslag aan leven, overerving en evolutie. Maar het werkt alleen met behulp van eiwitten.

Het programma voor het vertalen van genen, geschreven in de vier letters van het DNA, naar de daadwerkelijke bouwstenen van het leven, is gebaseerd op een volledige cellulaire decoderingsfabriek.

Zie de letters van het DNA - A, T, C en G - als een geheime code, geschreven op een lang stuk gekreukt papier dat om een ​​spoel is gewikkeld. Groepen van drie 'letters' of codons zijn de crux - ze coderen welk aminozuur een cel maakt. Een boodschappermolecuul (mRNA), een soort spion, kopieert heimelijk het DNA-bericht en sluipt terug in de cellulaire wereld, waarbij het bericht wordt vervoerd naar de eiwitfabriek van de cel - een soort centrale inlichtingenorganisatie.

Daar werft de fabriek meerdere 'vertalers' aan om de genetische code te ontcijferen tot aminozuren, toepasselijk tRNA's genoemd. De letters zijn gegroepeerd in drieën, en elk tRNA van de vertaler sleept het bijbehorende aminozuur fysiek één voor één naar de eiwitfabriek, zodat de fabriek uiteindelijk een ketting maakt die zich in een 3D-eiwit wikkelt.

Maar zoals elke robuuste code heeft de natuur redundantie geprogrammeerd in haar DNA-naar-eiwit vertaalproces. De DNA-codes TCG, TCA, AGC en AGT coderen bijvoorbeeld allemaal voor een enkel aminozuur, serine. Hoewel het in de biologie werkt, vroegen de auteurs zich af: wat als we die code aanboren, kapen en een aantal richtingen van het leven ombuigen met behulp van synthetische aminozuren?

De natuurlijke code kapen

De nieuwe studie ziet de redundantie van de natuur als een manier om nieuwe mogelijkheden in cellen te introduceren.

Voor ons was één vraag: "Kun je het aantal codons verminderen dat wordt gebruikt om voor een bepaald aminozuur te coderen, en daardoor codons maken die vrij zijn om andere monomeren [aminozuren] te creëren?" vroeg hoofdauteur Dr. Jason Chin.

Als TCG bijvoorbeeld voor serine is, waarom zou u de andere - TCA, AGC en AGT - dan niet vrijmaken voor iets anders?

In theorie een geweldig idee, maar in de praktijk een hele opgave. Het betekent dat het team een ​​cel in moet en elk codon moet vervangen dat ze willen herprogrammeren. Een paar jaar geleden liet dezelfde groep zien dat het kan in E coli, het favoriete insect van het laboratorium en de farmaceutische industrie. In die tijd maakte het team een ​​astronomische sprong in de synthetische biologie door het hele E coli genoom vanaf nul. Tijdens het proces speelden ze ook met het natuurlijke genoom, door het te vereenvoudigen door enkele aminozuurcodons te vervangen door hun synoniemen, bijvoorbeeld door TCG's te verwijderen en ze te vervangen door AGC's. Zelfs met de aanpassingen konden de bacteriën gedijen en zich gemakkelijk voortplanten.

Het is alsof je een heel lang boek neemt en uitzoekt welke woorden je moet vervangen door synoniemen zonder de betekenis van zinnen te veranderen, zodat de bewerkingen het voortbestaan ​​van de bacteriën niet fysiek schaden. Een truc was bijvoorbeeld om een ​​eiwit genaamd "release factor 1" te verwijderen, waardoor het gemakkelijker wordt om het UAG-codon te herprogrammeren met een gloednieuw aminozuur. Eerder werk toonde aan dat dit nieuwe bouwstenen kan toewijzen aan natuurlijke codons die echt "leeg" zijn - dat wil zeggen, ze coderen sowieso niets natuurlijks.

Een synthetisch wezen

Het team van Chin ging veel verder.

Het team heeft een methode bedacht met de naam REXER (replicon-excisie voor verbeterde genoomtechniek door middel van geprogrammeerde recombinatie) – ja, bij wetenschappers draait het allemaal om de backcroniemen – waaronder het wonderkind-hulpmiddel voor het bewerken van genen, CRISPR-Cas9. Met CRISPR hebben ze grote delen van het bacteriële genoom van E. coli nauwkeurig uitgesneden, helemaal opnieuw gemaakt in een reageerbuis, en vervolgens meer dan 18,000 keer voorkomende 'extra' codons die coderen voor serine vervangen door synoniemcodons.

Omdat de truc zich alleen richtte op overtollige eiwitcode, konden de cellen hun normale werkzaamheden voortzetten, inclusief het maken van serine, maar nu met meerdere vrije natuurlijke codons. Het is alsof je 'hallo' vervangt door 'oy', waardoor 'hallo' nu een geheel andere betekenis kan krijgen.

Het team deed vervolgens wat huis schoonmaken. Ze verwijderden de natuurlijke vertalers van de cellen - de tRNA's - die normaal gesproken de inmiddels ter ziele gegane codons lezen zonder de cellen te beschadigen. Ze introduceerden nieuwe synthetische versies van tRNA's om de nieuwe codons te lezen. De gemanipuleerde bacteriën werden vervolgens op natuurlijke wijze in een reageerbuis geëvolueerd om sneller te groeien.

De resultaten waren spectaculair. De superkrachtige soort, Syn61.Δ3(ev5), is in feite een bacteriële X-Men die snel groeit en resistent is tegen een cocktail van verschillende virussen die normaal gesproken bacteriën infecteren.

"Omdat de hele biologie dezelfde genetische code gebruikt, dezelfde 64 codons en dezelfde 20 aminozuren, betekent dit dat virussen ook dezelfde code gebruiken... ze gebruiken de machinerie van de cel om de virale eiwitten te bouwen om het virus te reproduceren", legt Chin uit. Nu de bacteriecel niet langer de standaard genetische code van de natuur kan lezen, kan het virus niet langer de bacteriële machinerie aanboren om zich voort te planten - wat betekent dat de gemanipuleerde cellen nu bestand zijn tegen kaping door bijna elke virale indringer.

"Deze bacteriën kunnen worden omgezet in hernieuwbare en programmeerbare fabrieken die een breed scala aan nieuwe moleculen met nieuwe eigenschappen produceren, die voordelen kunnen hebben voor de biotechnologie en de geneeskunde, waaronder het maken van nieuwe medicijnen, zoals nieuwe antibiotica", zei Chin.

Afgezien van virale infectie, herschrijft de studie wat mogelijk is voor synthetische biologie.

"Dit zal talloze toepassingen mogelijk maken", zeiden Jewel en Chatterjee, zoals volledig kunstmatige biopolymeren, dat wil zeggen materialen die compatibel zijn met biologie en die hele disciplines kunnen veranderen, zoals geneeskunde or hersen-machine-interfaces. Hier was het team in staat om een ​​keten van kunstmatige aminozuurbouwstenen aan elkaar te rijgen om een ​​soort molecuul te maken dat de basis vormt van sommige medicijnen, zoals die tegen kanker of antibiotica.

Maar misschien is het meest opwindende vooruitzicht het vermogen om het bestaande leven drastisch te herschrijven. Net als bacteriën werken wij - en al het leven in de biosfeer - op dezelfde biologische code. De studie toont nu aan dat het mogelijk is om de hindernis van slechts 20 aminozuren die de bouwstenen van het leven vormen te overwinnen door gebruik te maken van onze natuurlijke biologische processen.

Vervolgens wil het team onze natuurlijke biologische code mogelijk verder herprogrammeren om nog meer synthetische eiwitbouwstenen in bacteriële cellen te coderen. Ze zullen ook naar andere cellen gaan, bijvoorbeeld zoogdieren, om te zien of het mogelijk is om onze genetische code te comprimeren.

Krediet van het beeld: nadja_il oppompen van Pixabay

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