Naukowcy wykorzystali CRISPR, aby zaprojektować nowy „superbakter”, który jest niezwyciężony dla wszystkich wirusów

Czy możemy dowolnie przeprogramować istniejące życie?

Dla biologów syntetycznych odpowiedź brzmi: tak. Centralny kod biologii jest prosty. Litery DNA, w grupach po trzy, są tłumaczone na aminokwasy — klocki Lego, które tworzą białka. Białka budują nasze ciała, regulują nasz metabolizm i pozwalają nam funkcjonować jako żywe istoty. Projektowanie niestandardowych białek często oznacza, że ​​możesz przeprojektować małe aspekty życia – na przykład nakłonienie bakterii do pompowania ratujących życie leków, takich jak insulina.

Całe życie na Ziemi kieruje się tą zasadą: kombinacja 64 kodów tripletowych DNA lub „kodonów” jest tłumaczona na 20 aminokwasów.

Ale poczekaj. Matematyka się nie zgadza. Dlaczego 64 dedykowane kodony nie miałyby tworzyć 64 aminokwasów? Powodem jest nadmiarowość. Życie ewoluowało tak, że wiele kodonów często tworzy ten sam aminokwas.

A co, jeśli wykorzystamy te zbędne „dodatkowe” kodony wszystkich żywych istot i zamiast tego wstawimy własny kod?

Niedawno zrobił to zespół z Uniwersytetu Cambridge. W technologiczne tour de force, używali CRISPR zastąpić ponad 18,000 XNUMX kodonów syntetycznymi aminokwasami, które nie występują nigdzie w świecie przyrody. Rezultatem jest bakteria, która jest praktycznie odporna na wszystkie infekcje wirusowe – ponieważ nie ma normalnych białkowych „klamek”, których wirusy potrzebują do zainfekowania komórki.

Ale to dopiero początek supermocy życia inżynierskiego. Do tej pory naukowcom udało się wprowadzić do żywego organizmu tylko jeden zaprojektowany aminokwas. Nowa praca otwiera drzwi do hackowania wielu istniejących kodonów jednocześnie, poprzez kopiowanie co najmniej trzech syntetycznych aminokwasów w tym samym czasie. A kiedy jest 3 na 20, to wystarczy, aby zasadniczo przepisać życie, jakie istnieje na Ziemi.

Od dawna myśleliśmy, że „uwolnienie podzbioru… kodonów do ponownego przypisania może poprawić odporność i wszechstronność technologii rozszerzania kodu genetycznego” – napisali dr. Delilah Jewel i Abhishek Chatterjee z Boston College, którzy nie brali udziału w badaniu. „Ta praca elegancko przekształca to marzenie w rzeczywistość”.

Hakowanie kodu DNA

Nasz kod genetyczny leży u podstaw życia, dziedziczenia i ewolucji. Ale działa tylko przy pomocy białek.

Program translacji genów zapisanych czterema literami DNA na rzeczywiste cegiełki życia opiera się na pełnej komórkowej fabryce deszyfrowania.

Pomyśl o literach DNA — A, T, C i G — jako o tajnym kodzie napisanym na długim skrawku pomarszczonego papieru owiniętego wokół szpuli. Grupy trzech „liter” lub kodonów stanowią sedno — kodują aminokwas, który wytwarza komórka. Cząsteczka posłańca (mRNA), swego rodzaju szpieg, potajemnie kopiuje wiadomość DNA i wkrada się z powrotem do świata komórkowego, przesyłając wiadomość do fabryki białek komórki – rodzaj centralnej organizacji wywiadowczej.

Tam fabryka rekrutuje wielu „tłumaczy”, aby rozszyfrować kod genetyczny na aminokwasy, trafnie nazwane tRNA. Litery są pogrupowane w trójki, a każdy tłumacz tRNA fizycznie przeciąga związany z nim aminokwas do fabryki białek, jeden po drugim, tak że fabryka ostatecznie tworzy łańcuch, który owija się w białko 3D.

Ale jak każdy solidny kod, natura zaprogramowała redundancję w procesie translacji DNA na białko. Na przykład, DNA koduje TCG, TCA, AGC i AGT, wszystkie kodują pojedynczy aminokwas, serynę. Chociaż działa to w biologii, autorzy zastanawiali się: co, jeśli dostaniemy się do tego kodu, przechwycimy go i przekierujemy niektóre kierunki życia za pomocą syntetycznych aminokwasów?

Porwanie naturalnego kodu

Nowe badanie postrzega redundancję natury jako sposób na wprowadzenie nowych możliwości do komórek.

Dla nas jedno pytanie brzmiało: „czy możesz zmniejszyć liczbę kodonów używanych do kodowania określonego aminokwasu, a tym samym stworzyć kodony, które mogą swobodnie tworzyć inne monomery [aminokwasy]?” zapytał główny autor, dr Jason Chin.

Na przykład, jeśli TCG jest dla seryny, dlaczego nie uwolnić innych — TCA, AGC i AGT — na coś innego?

To świetny pomysł w teorii, ale naprawdę trudne zadanie w praktyce. Oznacza to, że zespół musi wejść do komórki i wymienić każdy kodon, który chce przeprogramować. Kilka lat temu ta sama grupa pokazała, że ​​jest to możliwe w E coli, ulubiony błąd laboratoriów i farmaceutyków. W tym czasie zespół dokonał astronomicznego skoku w biologii syntetycznej, syntetyzując całość E coli genom od podstaw. Podczas tego procesu bawili się również naturalnym genomem, upraszczając go, zastępując niektóre kodony aminokwasów ich synonimami – powiedzmy, usuwając TCG i zastępując je AGC. Nawet po wprowadzeniu modyfikacji bakterie mogły się rozwijać i łatwo rozmnażać.

To tak, jakby wziąć bardzo długą książkę i zastanawiać się, które słowa zastąpić synonimami bez zmiany znaczenia zdań – tak, aby zmiany nie zaszkodziły fizycznie przetrwaniu bakterii. Jednym ze sztuczek, na przykład, było usunięcie białka nazwanego „czynnikiem uwalniania 1”, co ułatwia przeprogramowanie kodonu UAG na zupełnie nowy aminokwas. Poprzednie prace wykazały, że może to przypisywać nowe bloki budulcowe do naturalnych kodonów, które są naprawdę „puste” — to znaczy, że i tak nie kodują niczego naturalnie.

Stworzenie syntetyczne

Zespół Chin posunął się znacznie dalej.

Zespół opracował metodę o nazwie REXER (wycięcie replikonu w celu ulepszonej inżynierii genomu poprzez zaprogramowaną rekombinację) – tak, naukowcy skupiają się na backkronimach – która obejmuje narzędzie do edycji genów cudownego dziecka CRISPR-Cas9. Dzięki CRISPR precyzyjnie wycięli duże części genomu bakterii E. coli, stworzonego całkowicie od podstaw w probówce, a następnie zastąpili ponad 18,000 XNUMX wystąpień „dodatkowych” kodonów kodujących serynę kodonami synonimowymi.

Ponieważ sztuczka skupiała się wyłącznie na zbędnym kodzie białka, komórki mogły wykonywać swoje normalne czynności — w tym wytwarzać serynę — ale teraz były wolne od wielu naturalnych kodonów. To jakby zamienić „cześć” na „oj”, dzięki czemu „cześć” może mieć teraz zupełnie inne znaczenie.

Następnie zespół posprzątał dom. Usunęli naturalne translatory komórek – tRNA – które normalnie czytają nieistniejące już kodony bez uszkadzania komórek. Wprowadzili nowe syntetyczne wersje tRNA do odczytywania nowych kodonów. Zmodyfikowane bakterie następnie naturalnie wyewoluowały w probówce, aby rosnąć szybciej.

Wyniki były spektakularne. Szczep o dużej mocy, Syn61.Δ3(ev5), to w zasadzie bakteryjny X-Men, który szybko rośnie i jest odporny na koktajl różnych wirusów, które normalnie infekują bakterie.

„Ponieważ cała biologia używa tego samego kodu genetycznego, tych samych 64 kodonów i tych samych 20 aminokwasów, oznacza to, że wirusy również używają tego samego kodu… używają maszynerii komórki do budowy białek wirusowych w celu reprodukcji wirusa” – wyjaśnił Chin. Teraz, gdy komórka bakteryjna nie może już czytać standardowego kodu genetycznego natury, wirus nie może już korzystać z maszynerii bakteryjnej, aby się rozmnażać, co oznacza, że ​​zmodyfikowane komórki są teraz odporne na porwanie przez niemal każdego najeźdźcę wirusowego.

„Bakterie te mogą zostać przekształcone w odnawialne i programowalne fabryki, które produkują szeroką gamę nowych cząsteczek o nowych właściwościach, które mogą przynieść korzyści dla biotechnologii i medycyny, w tym w wytwarzaniu nowych leków, takich jak nowe antybiotyki” – powiedział Chin.

Pomijając infekcje wirusowe, badanie zmienia możliwości biologii syntetycznej.

„Umożliwi to niezliczone zastosowania”, powiedzieli Jewel i Chatterjee, takich jak całkowicie sztuczne biopolimery, czyli materiały zgodne z biologią, które mogą zmienić całe dyscypliny, takie jak lekarstwo or interfejsy mózg-maszyna. Tutaj zespół był w stanie napiąć łańcuch elementów budulcowych sztucznych aminokwasów, aby stworzyć rodzaj cząsteczki, która stanowi podstawę niektórych leków, takich jak leki na raka lub antybiotyki.

Ale być może najbardziej ekscytującą perspektywą jest możliwość radykalnego przepisania istniejącego życia. Podobnie jak bakterie, my – i całe życie w biosferze – działamy na tym samym kodzie biologicznym. Badanie pokazuje teraz, że możliwe jest pokonanie przeszkody zaledwie 20 aminokwasów tworzących cegiełki życia, wykorzystując nasze naturalne procesy biologiczne.

Następnie zespół poszukuje możliwości dalszego przeprogramowania naszego naturalnego kodu biologicznego, aby kodować jeszcze więcej syntetycznych elementów budulcowych białek w komórkach bakteryjnych. Przemieszczą się również w kierunku innych komórek – na przykład ssaków, aby sprawdzić, czy możliwe jest skompresowanie naszego kodu genetycznego.

Kredytowych Image: nadya_il od Pixabay

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