Scenariusz koszmaru spędza sen z powiek biologom syntetycznym. Szczep bakterii ze znacznie zmienionym kodem genetycznym wycieka z laboratorium. Część jego maszynerii genetycznej przenosi się na niczego niepodejrzewającego gospodarza – pozwalając mu na kooptację komórki gospodarza do reprodukcji, nawet jeśli oznacza to wyrządzenie szkody gospodarzowi.
Bakterie nie zostały zaprojektowane tak, by szkodzić. Zamiast tego poprawiono jego genetyczną maszynerię, aby przeciwdziałać infekcjom niebezpiecznym wirusem. Supersilne bakterie mogą teraz pompować leki ratujące życie, takie jak insulina, bez obaw o skażenie.
Fabuła jest tutaj całkowicie fikcyjna. Ale ilustruje obosieczny miecz, który zawiera obietnicę biologii syntetycznej, która opiera się na genetycznym języku programowania wspólnym dla prawie wszystkich żywych stworzeń.
Z jednej strony przejęcie i edycja istniejącego kodu genetycznego może nadać nawet najprostszym komórkom nowe zdolności, przekształcając je w mikrofabryki leków lub komputery komórkowe.
Z drugiej strony, ponieważ organizmy mają ten sam uniwersalny kod, są podatne na zewnętrzne ataki wirusów i innych patogenów – i mogą przenieść swoje nowe możliwości na naturalne organizmy, nawet jeśli to je zabije.
Dlaczego nie zbudować genetycznej zapory ogniowej?
A Ostatnie badania in nauka właśnie to zrobił. Zespół częściowo przerobił istniejący kod genetyczny w „szyfr”, którego normalne organizmy nie są w stanie zrozumieć. Podobnie, zmodyfikowane bakterie utraciły zdolność odczytywania naturalnego kodu genetycznego. Poprawki utworzyły potężną barierę językową między zmodyfikowanymi bakteriami a organizmami naturalnymi, izolując je od dzielenia się informacjami genetycznymi.
Tłumaczenie? Zmodyfikowane bakterie są teraz odporne na nawet najbardziej agresywne wirusy, z niewielką szansą na przeciek ich syntetycznego kodu do środowiska naturalnego. Proces ten, nazwany refaktoringiem, skutecznie poddaje kwarantannie syntetyczne organizmy ze świata przyrody.
„Stworzyliśmy formę życia, która nie czyta kanonicznego kodu genetycznego i zapisuje informacje genetyczne w formie, której nie można odczytać” powiedziany Dr Jason Chin z Medical Research Council Laboratory of Molecular Biology w Cambridge, który prowadził badanie.
Przepisywanie życia
Język życia jest zaskakująco prosty. Mamy cztery litery DNA — A, T, C i G. Aby geny miały wpływ na życie, muszą zostać przetłumaczone na białka, które składają się z 20 różnych aminokwasów.
Aby tak się stało, potrzebny jest cały proces produkcji komórkowej. Wyobraź sobie nić DNA jako wstążkę taśmy magnetofonowej wokół szpuli. Wchodzi posłaniec – mRNA – który kopiuje wiadomość genetyczną (jak zrobienie taśmy miksującej) i przenosi ją do fabryki wytwarzającej białka wewnątrz komórki.
Tutaj mnóstwo różnych pracowników tłumaczy kod genetyczny na aminokwasy. Sednem jest zasada trzech: trzy litery DNA zgrupowane razem jako kodon odpowiadają aminokwasowi. Cząsteczki transportera, trafnie nazywane tRNA, następnie odczytują kod – powiedzmy TCG – i chwytają się odpowiedniego aminokwasu. Opłucz i powtórz, aż w końcu komórka utworzy długi łańcuch białek, gotowy do dalszego przetwarzania w ostateczną strukturę 3D.
Ale o to chodzi. Litery DNA tworzą 64 różne kodony, ale mamy tylko 20 aminokwasów. Coś się nie zgadza.
Powodem jest to, że nasz kod genetyczny jest zbędny. Na przykład wszystkie kodony TCG, TCA, AGC i AGT kodują ten sam aminokwas. Czy możemy usprawnić kod genetyczny, uwalniając „dodatkowe” kodony dla innych białek?
W 2021 roku grupa Chin pokazała, że odpowiedź brzmi tak. W technologiczny tour-de-force, jego zespół przepisał ponad 18,000 XNUMX kodonów w E. coli bakterie — koń pociągowy biotechnologii i badań — i pokazał, że nowa forma życia żyje i jest szczęśliwie podzielona, ale z nowo uwolnionymi kodonami gotowymi do programowania. Następnie zespół oczyścił dom, usuwając tRNA, które wcześniej „odczytywały” nieistniejące już kodony.
W kilku testach supermocny szczep, nazwany Syn61.Δ3(ev5), zwalczał niezliczone wirusy, które muszą przejąć kontrolę nad genetyczną maszynerią komórki, aby się replikować. Ponieważ komórka nie mogła odczytać standardowego kodu genetycznego wirusów, nie była już podatna na najeźdźców.
A przynajmniej tak myśleli.
Nowe zasady
W niedawnym preprintie biolodzy syntetyczni Dr. George Church i Akos Nyerges z Uniwersytetu Harvarda stwierdzili, że Syn61.Δ3 nie jest tak niezwyciężony, jak się początkowo wydawało.
Zalewając bakterie wirusami izolowanymi z wielu źródeł – odchodów świń i skrawków z kurnika – znaleźli około tuzina wirusów, które wciąż mogą przeniknąć genetyczne mechanizmy obronne bakterii.
Czemu? Grupa podstępnych podejrzanych to ruchome elementy genetyczne – powszechnie znane jako „samolubne geny”. Te przeskakujące fragmenty kodu genetycznego mogą pochodzić z wirusów i bakterii, a także są osadzone w naszym własnym genomie.
Ponieważ są kodem DNA, te elementy mogą kodować tRNA wewnątrz komórki. Jeśli wirus przechowuje te samolubne geny, może otworzyć biologiczne „tylne drzwi”, aby zainfekować komórkę odporną na wirusa, taką jak Syn61.Δ3, uzupełniając brak odpowiednich tRNA własną kopią do replikacji. Ta zdolność sprawia, że „zapora ogniowa oparta na kodzie genetycznym jest nieskuteczna” – wyjaśnili Nyerges i współpracownicy.
Podbródek się zgadza. W nowym artykule przyjął inną strategię – aktywnie sabotując dostarczanie aminokwasu seryny, zamiast zastępować go alternatywami. To tak, jakby znaleźć i zastąpić literę „s” w książce i zmienić ją na „p” lub „a”. Wynik jest całkowicie nieczytelny dla normalnej komórki, ale otwiera świat możliwości dla komórki zaprojektowanej.
Podsumowując, „możemy niezależnie ponownie przypisać” dwa kodony do czterech różnych aminokwasów, stwierdzili autorzy, tworząc 16 nowych kodów genetycznych. Aby pomóc komórce odczytać jej nowy kod, zespół zaprogramował również mnóstwo tRNA, które pomagają przekierowywać ruch aminokwasów. Te zmodyfikowane tRNA mogą przezwyciężyć naturalny kod genetyczny, zamiast tego dostarczając zaprogramowany aminokwas – zamiast naturalnie poprawnego – do budowy białka.
Bariera genetyczna
Te genetyczne poprawki sprawiają, że szczep bakterii Syn61.Δ3 jest jeszcze bardziej obcy. Zasadniczo ma teraz kod genetyczny oparty na — ale znacznie odbiegający od — kod każdej żywej istoty.
Ulepszenie ma duże zalety. Bakterie są zwykle niezwykle rozmownymi osobnikami, łatwo dzielącymi się swoim materiałem genetycznym. Proces, nazwany transferem poziomym, przyprawia biologów syntetycznych o straszny ból głowy, ponieważ opracowane przez nich elementy genów mogą teoretycznie wydostać się na wolność.
Jednak nowy superszczep nie mógł ani dzielić, ani dekodować normalnych genów z naturalnych bakterii. W eksperymentach z wykorzystaniem ruchomych elementów genetycznych — „samolubnych genów”, o których wiadomo, że łatwo się rozprzestrzeniają — naturalne i zmodyfikowane komórki nie mogły przenosić kodu genetycznego. W pewnym sensie zespół zaprogramował nowy język genetyczny w szczepie syntetycznym, zrywając jego komunikację z organizmami naturalnymi.
Zmiany sprawiły, że nowy szczep stał się niezwyciężony dla wirusów. Tutaj zespół najpierw przeskanował rzekę Cam w Cambridge w poszukiwaniu wirusów, które mogą wymykać się ochronie genetycznej oryginalnego szczepu. Dwa szczepy były szczególnie złośliwe, niosąc własne tRNA, które mogą przezwyciężyć wcześniejszą ochronę genetyczną w komórkach.
Autorzy twierdzą, że dodanie tylko syntetycznej wersji tych wirusowych tRNA pozwoliło innym niezakaźnym wirusom zaatakować Syn61.Δ3. Ale nowy szczep był całkowicie odporny na niezliczone wirusy, łatwo wyłączając egoistyczne geny.
Chin nie jest jedyną grupą zainteresowaną inżynierią następnej niezwyciężonej komórki. W swoim wstępnym druku Nyerges i Church zastosowali podobną strategię, aby przekodować Syn61.Δ3 tak, aby serynę zastąpić innym aminokwasem. We wstępnych testach ich szczep mógł zwalczyć tuzin wirusów, które przytłoczyły oryginalny szczep.
Odporność na wirusy to dopiero pierwszy krok do refaktoryzacji genetycznej. Naukowcy od dawna myśleli, że proces ten może stworzyć organizmy o nowych właściwościach, powiedział Chin i współpracownicy. „Strategie, które opisaliśmy, powinny mieć ogólne zastosowanie do każdego genu lub systemu genetycznego dodanego do organizmu syntetycznego… przewidujemy, że zasady, które ustaliliśmy, mogą być stosowane do szerokiego zakresu organizmów”.
Kredytowych Image: Narodowy Instytut Alergii i Chorób Zakaźnych, Narodowe Instytuty Zdrowia
