Šveicarijoje pirmą kartą sukurtas dirbtinis genomas, suprogramuotas kompiuteriu ir tai iš esmės keičia biotechnologiją - jau galima kurti sintetinę gyvybę ir tai neabejotinai bus padaryta (8)
ETH Zurich mokslininkai sukūrė naują metodą, smarkiai supaprastinantį didelių, ne vieną šimtą genų turinčių, DNR molekulių gaminimą. Naudodami šį metodą, jie sukūrė pirmąjį bakterijos genomą, sukurtą kompiuteriniu algoritmu. Šis metodas gali iš esmės pakeisti biotechnologiją.
Prisijunk prie technologijos.lt komandos!
Laisvas grafikas, uždarbis, daug įdomių veiklų. Patirtis nebūtina, reikia tik entuziazmo.
Sudomino? Užpildyk šią anketą!
Beat Christenas, ETH Zuricho eksperimentinių biologinių sistemų profesorius su broliu Matthiasu Christenu, ETH Zurich chemiku, pirmą kartą gavo veikiantį genetinį kodą, kuris buvo sukurtas kompiuteriu. Jo pagrindas – dešifruotas bakterijos Caulobacter crescentus genomas, kuris buvo itin stipriai optimizuotas. Dabar jis egzistuoja kaip kompiuterinis modelis, kuriuo remiantis, buvo surinktos atskiros bandomosios DNR molekulės. Patalpinus jas į atitinkamas sąlygas, gimtų nauja, dirbtinė gyvybė.
Visų iki šiol atliktų organizmų genomų sekoskaitų duomenys saugomi duomenų bazėje, priklausančioje Nacionaliniam biotechnnologijos informacijos centrui JAV. Dabar joje atsirado naujas įrašas: Caulobacter ethensis-2.0. Tai – pirmasis pasaulyje vien kompiuteriu generuotas gyvo organizmo genomas, sukurtas ETH Zurich mokslininkų. Tačiau reikia pabrėžti, kad nors C. ethensis-2.0 genomas buvo fiziškai sukurtas, kaip labai didelė DNR molekulė, atitinkamas organizmas dar neegzistuoja.
Pirmąsias genomo skaitmeninio redagavimo pergales jau prieš dešimtmetį pasiekė genetiko Craigo Venterio vadovaujama komanda. Kaip ir tada, mokslininkai ėmė originalų sudėtingą genomą, kuriame, kaip žinom, yra „šiukšlinės DNR“, ir bandė „optimizuoti“ jo architektūrą. Aptariamos C. Crescentus bakterijos genome iš 4000 genų realią reikšmę turi vos 680. Todėl specialistai „atliekamus“ paprasčiausiai pašalino.
Ir net tokį apgenėtą genomą galima dar labiau sumažinti, jei vieną ir tą patį efektą ar funkciją koduoja skirtingos aminorūgščių sekos. Šveicarų mokslininkai sukūrė algoritmą, kuriuo remdamasis, kompiuteris apskaičiavo „idealią DNR“, 6 kartus mažesnę už originalą. Į pradinį variantą ji visiškai nepanaši, tačiau atlieka tas pačias pagrindines funkcijas.
Mokslininkai atliko daugybę mažų minimalaus genomo modifikacijų, kurių visumą įspūdinga: daugiau nei šeštadalis iš visų 800 000 dirbtinio genomo DNR raidžių buvo pakeista, lyginant su „natūraliu' minimaliu genomu. „Naudodami savo algoritmą, visiškai perrašėme genomą naujomis DNR raidžių sekomis, nebepanašiomis į originalias sekas. Tačiau biologinė baltymų funkcija liko tokia pati”, sako Beatas Christenas.
Patikrinimui mokslininkai išaugino bakterijas su realios ir sintetinės DNR elementais, paskui pradėjo „atjunginėti“ originalius genus. Organizma persijungdavo į dirbtinius ir toliau atliko bazines funkcijas – maitinosi, dauginosi, gynėsi. Apie visišką DNR pakeitimą kol kas nekalbama, iš 680 „atnaujintų“ genų suveikė tik 540, tačiau jau 3.0 genomo versijoje mokslininkai žada visas spragas ištaisyti. Ir tada, teoriškai, bus galima kurti sintetines gyvybės formas, su griežtai apibrėžtomis savybėmis.
Neišpasakytas biotechnologinis potencialas
„Nors dabartinė genomo versija nėra tobula, mūsų darbas rodo, kad biologinės sistemos sukurtos taip paprastai, kad ateityje kompiuteriu galėsime sukonstruoti norimų specifikacijų biologines sistemas ir jas sukurti,” sako Matthias Christen. Ir tai galima bus įgyvendinti gan paprastai, pabrėžia Beat Christen: „Tai, kas Craigo Venterio grupei truko dešimt metų ir kainavo 40 milijonų dolerių, mūsų naująją technologiją naudojanti nedidelė grupė pasiekė per metus, o gamybos kaštai buvo 120 000 Šveicarijos frankų.”
„Tikme, kad netrukus iš tokių genomų bus galima kurti funkcionalias bakterijų ląsteles,” sako Beatas Christenas. Tai atvertų didžiulį potencialą. Galėtų būti kuriami, pavyzdžiui, mikroorganizmai, sintetinantys sudėtingas vaistų ar vitaminų molekules. Ši technologija gali būti panaudota visiems mikroorganizmams, ne tik Caulobacter. Dar būtų galima kurti DNR vakcinas.
„Kad ir kokie perspektyvūs tyrimų rezultatai ir galimas pritaikymas, būtina nuodugniai diskutuoti visuomenėje šios technologijos tikslus ir taikymo sritis, ir tuo pat metu, kaip užkirsti kelią piktnaudžiavimui jomis,” sako Beatas Christenas. Dar nėra aišku, kada pirmoji bakterija su dirbtiniu genomu bus sukurta – bet aišku, kad tai gali būti ir bus atlikta. „Privalome panaudoti turimą laiką intensyvioms diskusijoms tarp mokslininkų ir visuomenės. Esame pasirengę visomis turimomis žiniomis prisidėti prie šios diskusijos.”
Venetz JE, Del Medico L, Wölfle A, Schächle P, Bucher Y, Appert D, Tschan F, Flores-Tinoco CE, van Kooten M, Guennoun R, Deutsch S, Christen M, Christen B: Chemical synthesis rewriting of a bacterial genome to achieve design flexibility and biological functionality, PNAS 2019, doi: 10.1073/pnas.1818259116