Forskare använde CRISPR för att konstruera en ny "Superbug" som är oövervinnelig för alla virus

Kan vi omprogrammera befintligt liv efter behag?

För syntetiska biologer är svaret ja. Den centrala koden för biologi är enkel. DNA-bokstäver, i grupper om tre, översätts till aminosyror - Legoblock som gör proteiner. Proteiner bygger våra kroppar, reglerar vår ämnesomsättning och låter oss fungera som levande varelser. Att designa anpassade proteiner innebär ofta att du kan omforma små aspekter av livet - till exempel att få en bakterie att pumpa ut livräddande läkemedel som insulin.

Allt liv på jorden följer denna regel: en kombination av 64 DNA-triplettkoder, eller "kodoner", översätts till 20 aminosyror.

Men vänta. Matematiken lägger inte till. Varför skulle inte 64 dedikerade kodoner skapa 64 aminosyror? Anledningen är redundans. Livet utvecklades så att flera kodoner ofta gör samma aminosyra.

Så vad händer om vi utnyttjar de överflödiga "extra" kodonerna för alla levande varelser och istället sätter in vår egen kod?

Ett team vid University of Cambridge gjorde nyligen just det. I en teknologiturné, de brukade Crispr att ersätta över 18,000 XNUMX kodoner med syntetiska aminosyror som inte finns någonstans i den naturliga världen. Resultatet är en bakterie som är praktiskt taget resistent mot alla virusinfektioner - eftersom den saknar det normala protein ”dörrhandtag” som virus behöver infektera cellen.

Men det är bara början på teknikmaktens supermakter. Hittills har forskare bara kunnat släppa en designad aminosyra i en levande organism. Det nya arbetet öppnar dörren för att hacka flera befintliga kodoner samtidigt och kopiera minst tre syntetiska aminosyror samtidigt. Och när det är 3 av 20 räcker det för att fundamentalt skriva om livet som det finns på jorden.

Vi har länge tänkt att "att frigöra en delmängd av ... kodoner för omfördelning skulle kunna förbättra robustheten och mångsidigheten hos teknologi för genetisk kodutvidgning", skrev Dr. Delilah Jewel och Abhishek Chatterjee vid Boston College, som inte var inblandade i studien. "Detta arbete förvandlar elegant den drömmen till en verklighet."

Hacka DNA-koden

Vår genetiska kod ligger till grund för liv, arv och evolution. Men det fungerar bara med hjälp av proteiner.

Programmet för att översätta gener, skrivna i DNA: s fyra bokstäver, till livets faktiska byggstenar är beroende av en fullständig cellulär dekrypteringsfabrik.

Tänk på DNA: s bokstäver - A, T, C och G - som en hemlig kod, skriven på ett långt papper med skrynkligt papper lindat runt en spole. Grupper med tre "bokstäver" eller kodoner är kärnan - de kodar för vilken aminosyra en cell skapar. En budbärarmolekyl (mRNA), en spion, kopierar smygande DNA-meddelandet och smyger tillbaka in i mobilvärlden och skickar meddelandet till cellens proteinfabrik - en slags central intelligensorganisation.

Där rekryterar fabriken flera ”översättare” för att dechiffrera den genetiska koden till aminosyror, lämpligt benämnda tRNA. Bokstäverna är grupperade i tre, och varje översättare tRNA drar fysiskt sin associerade aminosyra till proteinfabriken, en efter en, så att fabriken så småningom gör en kedja som sveper in i ett 3D-protein.

Men som alla robusta koder har naturen programmerat redundans i sin DNA-till-protein-översättningsprocess. Exempelvis kodar DNA-koderna TCG, TCA, AGC och AGT för en enda aminosyra, serin. Medan det fungerar inom biologi undrade författarna: tänk om vi använder den koden, kapar den och omdirigerar några av livets riktningar med syntetiska aminosyror?

Kapning av den naturliga koden

Den nya studien ser naturens redundans som ett sätt att introducera nya funktioner i celler.

För oss var en fråga "kan du minska antalet kodoner som används för att koda en viss aminosyra och därigenom skapa kodoner som är fria att skapa andra monomerer [aminosyror]?" frågade huvudförfattaren Dr. Jason Chin.

Till exempel, om TCG är för serin, varför inte frigöra de andra - TCA, AGC och AGT - för något annat?

Det är en bra idé i teorin, men en verkligt skrämmande uppgift i praktiken. Det betyder att teamet måste gå in i en cell och ersätta varje kodon som de vill omprogrammera. För några år tillbaka visade samma grupp att det är möjligt i E coli, laboratoriet och läkemedlets favoritfel. Vid den tiden gjorde laget ett astronomiskt steg i syntetisk biologi genom att syntetisera hela E coli genom från grunden. Under processen lekte de också med det naturliga genomet, förenklade det genom att ersätta några aminosyrakodoner med sina synonymer - säg, ta bort TCG och ersätt dem med AGC. Även med modifieringarna kunde bakterierna trivas och reproducera lätt.

Det är som att ta en mycket lång bok och ta reda på vilka ord som ska ersättas med synonymer utan att ändra meningarnas meningar - så att ändringarna inte fysiskt skadar bakteriens överlevnad. Ett knep var till exempel att ta bort ett protein som kallades "frisättningsfaktor 1", vilket gör det lättare att omprogrammera UAG-kodonet med en helt ny aminosyra. Tidigare arbete visade att detta kan tilldela nya byggstenar till naturliga kodoner som verkligen är "tomma" - det vill säga att de inte kodar något naturligt i alla fall.

En syntetisk varelse

Chins lag tog det här mycket längre.

Teamet kokade fram en metod som heter REXER (replicon excision for enhanced genome engineering through programmed recombination) – ja, forskare handlar om bakkronymerna – som inkluderar wunderkinds genredigeringsverktyg, CRISPR-Cas9. Med CRISPR klippte de exakt bort stora delar av bakteriegenomet för E. coli, tillverkat helt från grunden inuti ett provrör, och ersatte sedan mer än 18,000 XNUMX förekomster av "extra" kodon som kodar för serin med synonymkodon.

Eftersom tricket bara var inriktat på överflödig proteinkod, kunde cellerna fortsätta sin normala verksamhet - inklusive att göra serin - men nu med flera naturliga kodon fria. Det är som att ersätta "hej" med "oy", vilket gör att "hej" nu är fri att tilldelas en helt annan betydelse.

Teamet gjorde sedan lite städning. De tog bort cellernas naturliga översättare - tRNA: erna som normalt läser de nu nedlagda kodonerna utan att skada cellerna. De introducerade nya syntetiska versioner av tRNA för att läsa de nya kodonerna. De konstruerade bakterierna utvecklades sedan naturligt inuti ett provrör för att växa snabbare.

Resultaten var spektakulära. Den superkraftiga stammen, Syn61.Δ3(ev5), är i grunden en bakteriell X-Men som växer snabbt och är resistent mot en cocktail av olika virus som normalt infekterar bakterier.

"Eftersom hela biologin använder samma genetiska kod, samma 64 kodoner och samma 20 aminosyror, betyder det att virus också använder samma kod ... de använder cellens maskiner för att bygga virala proteiner för att reproducera viruset", förklarade Chin. Nu när bakteriecellen inte längre kan läsa naturens standardgenetiska kod, kan viruset inte längre smälta in i bakterieutrustningen för att reproducera - vilket betyder att de konstruerade cellerna nu är resistenta mot att kapas av nästan alla virala inkräktare.

"Dessa bakterier kan förvandlas till förnybara och programmerbara fabriker som producerar ett brett spektrum av nya molekyler med nya egenskaper, vilket kan ha fördelar för bioteknik och medicin, inklusive framställning av nya läkemedel, till exempel nya antibiotika", säger Chin.

Bortsett från virusinfektion skriver studien om vad som är möjligt för syntetisk biologi.

"Detta kommer att möjliggöra otaliga applikationer", säger Jewel och Chatterjee, såsom helt konstgjorda biopolymerer, det vill säga material som är kompatibla med biologi som kan förändra hela discipliner som läkemedel or hjärn-maskin-gränssnitt. Här kunde laget stränga upp en kedja av konstgjorda aminosyrabyggstenar för att skapa en typ av molekyl som utgör grunden för vissa läkemedel, som de för cancer eller antibiotika.

Men det kanske mest spännande är möjligheten att dramatiskt skriva om det befintliga livet. På samma sätt som bakterier arbetar vi - och allt liv i biosfären - på samma biologiska kod. Studien visar nu att det är möjligt att komma förbi hindret med endast 20 aminosyror som utgör byggstenarna i livet genom att utnyttja våra naturliga biologiska processer.

Därefter ser teamet på att potentiellt omprogrammera vår naturliga biologiska kod för att koda ännu fler syntetiska proteinbyggstenar i bakterieceller. De kommer också att flytta mot andra celler - däggdjur till exempel för att se om det är möjligt att komprimera vår genetiska kod.

Image Credit: nadya_il från Pixabay

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