211service.com
En maskin som påskyndar evolutionen
Istället för att ändra genomet bokstav för bokstav, som det mesta av genteknik görs, George kyrka och hans kollegor har utvecklat en ny teknik som kan göra 50 förändringar av ett bakteriegenom nästan samtidigt – ett framsteg som kan användas för att kraftigt påskynda skapandet av bakterier som är bättre på att producera läkemedel, näringsämnen eller biobränslen.
Bättre buggar: Med hjälp av en specialdesignad maskin (visas här), kan forskare snabbt konstruera upp till 50 genetiska förändringar i bakterier, vilket dramatiskt påskyndar strävan efter att designa bakteriefabriker som effektivt kan producera läkemedel, biobränslen och andra kemiska produkter.
Det som en gång tog månader tar nu dagar, säger Stephen del Cardayré, vice vd för forskning och utveckling på LS9, ett biobränsleföretag baserat i södra San Francisco där Church är en grundare. LS9 planerar snart att använda tekniken – kallad multiplexautomatiserad genomteknik, eller MAGE – för att påskynda utvecklingen av bakterieceller som kan producera förnybara bränslen och kemikalier till låg kostnad.
I det traditionella stegvisa tillvägagångssättet för genteknik, mixar forskare gen för gen med en cells metabola system, och försöker få fart på vissa reaktioner och dämpa andra. Men denna metod är långsam och oförutsägbar. En cells ämnesomsättning består av miljontals intrikat sammanflätade reaktioner, så att göra en specifik förändring av en gen involverad i en reaktion kanske inte ger det önskade resultatet, eller kan utlösa skadliga biverkningar.
Istället attackerar Church och hans medarbetare genomet i stor skala. De designar många genetiska förändringar som riktar in sig på gener i hela genomet och implementerar sedan dem alla på en gång, och letar efter den resulterande bakteriestam som bäst kan producera den önskade produkten. Det låter dig göra modifieringar av genomet mycket snabbare än de traditionella enstegsprocesser vi har, säger Kristala Jones-Prather, en metabol ingenjör vid MIT som inte var direkt involverad i forskningen.
Under MAGE-teknologin genererar forskare först 50 korta DNA-strängar, som var och en innehåller en sekvens som liknar en gen eller genreglerande sekvens i målbakteriegenomet, men som har uppdaterats på något sätt – med en förändring som kan göra ett enzym mer effektivare eller öka produktionen av ett visst protein.
DNA:t blandas in i en injektionsflaska med bakterier, som sedan placeras i en skräddarsydd maskin designad i kyrkans labb. I maskinen utsätts blandningen för en exakt koreograferad rutin av temperatur- och kemiska cykler som uppmuntrar bakteriecellerna att ta upp det främmande DNA:t och byta det in i deras genom i stället för den inhemska biten den liknar. De enkelsträngade bitarna av DNA tros förfalska cellens DNA-replikeringsmaskineri, smyga in och fylla ett tomrum under replikeringsprocessen, säger Church. Varje generation av de snabbt reproducerande bakterierna tar upp mer av det främmande DNA:t, vilket i slutändan producerar en population som har alla önskade genetiska förändringar.
Som en testkörning av enheten skapade Church och hans team bakterier som mer effektivt kunde producera lykopen, en antioxidant som finns i tomater. De designade DNA-strängar som riktade in sig på gener som är kända för att vara involverade i lykopenproduktion och övervakade sedan flera rör med konstruerade bakterier för produktion av den klarröda föreningen. På bara tre dagar hade de genererat en stam som kunde producera fem gånger mer lykopen, enligt resultat som presenterades vid en konferens på Harvard denna månad. Den bästa lykopenproducenten hade 24 genetiska förändringar - fyra som fullbordade blockerad produktion av genens protein, och 20 som resulterade i små eller stora förändringar i uttrycket av den genen.
Church och hans medarbetare, som i slutändan planerar att göra en kommersiell version av enheten, arbetar nu med att skapa olika typer av kemikalier, inklusive biobränslen och drogprekursorer.