211service.com
Hur man gör en konstgjord cell
Förra månaden meddelade forskare vid J. Craig Venter Institute att de hade gjort den första syntetiska cellen genom att sätta ihop ett genom som gjorts av kemikalier på flaska och transplantera det till en mottagarcell. Landmärkeprestationen representerar en ny nivå av kontroll över livets substans på molekylär nivå och en som kan leda till sätt att tillverka celler som producerar vacciner i stora mängder och renare bränslen.
Syntetiska celler: Bakteriekolonierna som växer på dessa petriskålar innehåller ett genom som modifierats på en dator och sedan sammanfogats i labbet.
Även om forskare betonar att det kommer att dröja år innan forskare kan visa den verkliga potentialen hos dessa tekniker för att skapa liv, använder de nu experimenten för att öka den grundläggande förståelsen av cellbiologi.
Under en rundtur förra veckan i institutets anläggningar i Rockville, MD, där experimenten äger rum, förklarade forskare att den syntetiska cellen skapades som ett resultat av ett projekt för att lära sig hur man gör en cell med det minsta antalet gener som möjligt. leva. Förhoppningen är att genom att förstå de grundläggande principerna för cellulärt liv, kommer vi att kunna få celler att göra mer saker, säger John Glass , professor vid institutet. Celler utformade för att göra en viss kemikalie kommer att göra det mer effektivt om forskare kan eliminera alla andra icke-nödvändiga metaboliska processer. Jag har alltid velat veta hur celler fungerar, och nu har vi verktygen, säger han.
Ett sätt att ta reda på vad det minimala genomet är skulle vara att börja med en mikrob som är lätt att arbeta med i labbet, som jäst eller E coli , och slå ut varje gen en i taget. Men denna process tar väldigt lång tid. Istället börjar Venter-forskarna med en genomsekvens från en bakterie som redan har ett mycket litet genom, ändrar det på datorn för att lägga till eller ta bort gener, syntetiserar det sedan från kemikalier, transplanterar det till en cell och ser hur förändringarna förändras. påverka cellens funktion. Att bygga ett genom på detta sätt påskyndar institutets forskning om minimala genom, säger Daniel Gibson , docent vid Venterinstitutet.
Det första steget i att göra en syntetisk cell är att designa genomet. Denna process sker på datorn, med sekvensen av 1 077 947 bokstäver som utgör bakteriens genom Mycoplasma mycoides . I sina första demonstrationsexperiment raderade forskarna 15 gener. Och för att skapa ett vattenmärke som skiljer det syntetiska genomet från det naturliga, gjorde de även tillägg. Forskarna kodade in sina namn, en URL, några citat och en e-postadress i DNA-alfabetet med fyra bokstäver och lade till det i genomet.
Det är dyrt och tidskrävande idag att syntetisera långa bitar av DNA i labbet. Så forskarna använde ett datorprogram för att skära upp genomet i 1 100 bitar, var och en på cirka 1 080 baspar, eller bokstäver, långa. Datorprogrammet lade till klibbiga sekvenser i vardera änden av varje skiva som skulle göra det möjligt att sätta ihop bitarna igen. Forskare skickade sedan dessa 1 100 mönster till ett DNA-syntesföretag.
Institutets forskare anlitar sedan jästceller för att sy de 1 100 fragmenten till ett enda, cirkulärt stycke DNA som utgör det färdiga syntetiska genomet. Innan jästen kan göra sitt arbete måste Gibsons grupp göra DNA-fragmenten jästvänliga. Gibsons grupp lägger först till varje uppsättning DNA-fragment en kort DNA-sekvens som drar fragmenten till en slinga och gör fragmenten vänliga mot jästceller som har behandlats för att göra dem mottagliga för att sluka upp DNA.
Gibson kombinerar jästcellerna i lösning med tio typer av DNA-fragment, som var och en utgör en på varandra följande sekvens av Mykoplasma genom. Jästcellerna gör jobbet med att sätta ihop fragmenten igen. Denna process upprepas tills jästen sätter ihop större och större delar av arvsmassan. Så småningom kommer några av jästcellerna att ha satt ihop ett komplett syntetiskt genom. Efter att ha testat för att verifiera att en koloni har hela bakteriegenomet, odlar forskarna jästen i en kolv så att de kan föröka sig och producera genomet i stora mängder.
Nästa steg är att extrahera det fullständiga syntetiska bakteriegenomet från jästen och transplantera det till bakterieceller. Att extrahera genomet från jäst och transportera det är den svåraste delen av processen. Mykoplasmanomet är relativt litet, men det är en enorm molekyl. Skjuvkraften av vatten som rör sig runt de nakna DNA-molekylerna kan dra isär det. Så forskarna immobiliserar DNA:t i en gelpellet och tar det till ett annat labb, där transplantationsmottagarcellerna har förberetts. De mottagande cellerna, av arten Mycoplasma capricolum , är en nära släkting till cellerna vars genom är grunden för det syntetiska genomet. Genom försök och misstag har forskarna funnit att det finns en viss del av cellernas tillväxt- och delningscykel där de är mest benägna att ta upp det främmande DNA:t.
Att få mottagarcellerna att ta upp det syntetiska arvsmassan är delvis en slumpfråga. En forskare blandar mottagarcellerna med en kemisk lösning för att göra deras ytor flytande och klibbiga och lägger sedan till cellerna i DNA-lösningen. När de har blandats börjar de klibbiga cellerna smälta samman med varandra. För att behålla en sfärisk form när deras yta ökar, tar cellerna volym från lösningen runt dem. Av en slump, när de smälter samman, tar några av dessa megaceller in kopior av M. mycoides genom.
Lämnade i cirka tre timmar kommer cellerna med mer än ett genom att dela sig, vilket skapar en blandning av celltyper. Ungefär en av 100 000 celler har det transplanterade genomet, som innehåller en antibiotikaresistensgen. När celllösningen stryks ut på plattor som innehåller antibiotikumet tetracyklin, överlever endast de med det transplanterade genomet. Även om de till en början var av en annan art, M. mycoides genomet tar över för att skapa vad forskarna kallar en syntetisk cell.
Forskarna kommer nu att använda dessa tekniker för att gradvis krympa genomet. De använder för närvarande programvara för att designa nya genom med olika gener borttagna, och använder sedan sin teknik för att syntetisera och transplantera dem. Vi kan testa en svindlande mängd möjligheter i ett experiment, säger Glass. Detta tillåter dem att inom några veckor snarare än år avgöra vad som händer när, säg, 10 gener i en viss väg uttrycks på olika nivåer eller elimineras.
Att utveckla dessa tekniker tog cirka 30 till 40 miljoner dollar i finansiering, främst från företaget Synthetic Genomics. Den huvudsakliga kostnaden för dessa experiment kommer från priset för att syntetisera DNA, som kan sjunka när fler forskare ser löftet med den här typen av experiment. Andra grupper gör inte detta på grund av kostnaden och för att metoderna har varit svåra, men jag skulle vilja tro att vi gör metoderna enkla, säger Gibson. Professor vid Boston University James Collins håller med. När kostnaderna sjunker kommer du att se ett antal labb börja syntetisera i denna skala. Om den här tekniken anses vara användbar, kommer vi att komma dit på kostnaderna.