Hur man gör om livet

Med en exakt rörelse pipetterar Li Ma, en tekniker vid J. Craig Venter Institute i Rockville, MD, en körsbärsröd lösning av bakterieceller till en injektionsflaska som innehåller en klar lösning av ömtåliga DNA-slingor. Dessa slingor, de största bitarna av DNA som någonsin satts ihop i labbet, kan var och en kontrollera alla vanliga funktioner i en cell. Men DNA:t har inte sitt ursprung i några bakterier: i stället satte forskare ihop det från kemikalier på flaska. Processen som de nyligen utvecklade för att göra detta är den första som ger syntetiska celler som kan överleva. Några av de bakterieceller som Ma arbetar med kommer att smälta samman i lösningen, uppsluka det syntetiska genomet och sedan replikera och leva under dess kontroll.

En lösning av celler, av vilka några innehåller det nya genomet, blandas med ett gelbaserat odlingsmedium som innehåller ett antibiotikum. Sedan hälls den i petriskålar och placeras i en inkubator. Endast celler som innehåller det syntetiska genomet bär en gen som skyddar dem från antibiotikan. De blå fläckarna är kolonier av bakterier som nu kontrolleras av det transplanterade syntetiska genomet.

Konventionell genteknik är en långvarig process där gener förändras en efter en, ofta över successiva generationer av organismer. Det gör att radikalt förändra ett genom till ett skrämmande förslag. Men de nyutvecklade teknikerna tillåter forskare att redigera genom på en dator, subtrahera eller lägga till gener genom att bokstavligen klippa och klistra in dem i en fil. Det är mer som ordbehandling än det traditionella labbarbetet som är involverat i odling och screening av generationer av organismer. Forskarna kan sedan utföra den genetiska motsvarigheten till att skriva ut filen, vid vilken tidpunkt de kan transplantera resultatet – ett nytt genom – till befintliga celler. Dessa steg påskyndar dramatiskt ingenjörsprocessen; det kan ta bara veckor att slutföra experiment som tidigare skulle ha tagit månader eller år.

Den här historien var en del av vårt septembernummer 2010

• Se resten av frågan
• Prenumerera

I slutändan vill forskare använda syntetisk biologi för att designa mikrober som mycket effektivt producerar vacciner, rena bränslen och andra produkter. Men de kan inte konstruera nya genom från grunden, eftersom de ännu inte vet tillräckligt om vilka gener och nätverk av gener som behövs för att upprätthålla liv och producera en önskad produkt. Du kanske tar bort en gen och cellen lever; ta bort en andra och den dör; ta sedan bort en tredje och den lever igen, säger Daniel Gibson, docent vid institutet. Således experimenterar Venter-forskarna med sekvensen av ett naturligt förekommande genom. De hoppas kunna lära sig mer om hur genom och celler fungerar genom att snabbt ta bort och lägga till gener i olika kombinationer, införliva de nya genomen i celler och sedan observera hur dessa genom fungerar eller inte fungerar.

Genetisk revision

Processen startar på datorn, där Gibson drar upp bakteriens arvsmassa Mycoplasma mycoides . Det är relativt enkelt och består av bara 1 078 809 DNA-baspar som utgör cirka 900 gener. (I jämförelse, E coli bakterier har cirka 4 400 gener.) Gibson och hans kollegor har gjort några ändringar: de har tagit bort 14 gener från sekvensen och lagt till andra. För att skapa en vattenstämpel som särskiljer deras skapelse, utvecklade de en kod som omvandlar engelska till det fyra bokstäverna DNA-alfabetet och använde den för att modifiera genomet, inkluderande deras namn, en URL, några meningar och en e-postadress i genom.

Gibsons grupp använder sedan mjukvara för att dela upp det modifierade genomet i 1 100 sektioner, var och en cirka 1 080 baspar långa - en storlek som kan göras ekonomiskt med en DNA-syntes, en maskin som delar ihop DNA-sträckor från individuella baspar som levereras i flaska lösningar. Slutligen anlitar forskarna jästceller för att sy ihop dessa långa sektioner, ett jobb som maskiner inte kan göra.

Gibson knäböjer framför ett kylskåp i labbet och drar ut 12 plastlådor, som var och en innehåller 96 brunnar fulla av DNA-fragment baserade på de datormodifierade designerna. Han staplar dem på en bänk och säger: Det här är hela arvsmassan i 1 100 bitar. Gibson använder en pipett för att samla 10 fragment i ordning och lägger till dem i ett litet plaströr, tillsammans med ytterligare ett fragment av DNA som hjälper till att dra ihop sekvensen till en slinga. Därefter lägger han till jästceller som har behandlats så att de kan ta upp DNA-bitarna. Varje jästcell tror att dessa bitar av DNA är en del av sin egen kromosom, och den är trasig, säger han. Den vill sätta ihop dem igen. Forskarna designade DNA-fragmenten så att de som ska länkas samman har ändar med matchande sekvenser. Jästen delar ihop de 10 fragmenten genom att matcha dessa sekvenser för att producera DNA-slingor som var och en är 10 000 baspar långa. Att upprepa processen länkar samman sekvenserna med 10 000 baspar för att bilda 100 000 basparssegment av genomet. Efter ett tredje sammanslagningssteg har jästen sytt ihop hela det syntetiska genomet. Med etablerade metoder extraheras de syntetiska genomen från jästen.

Att hantera det extraherade DNA:t tar avsevärd omsorg: även ett litet genom är en gigantisk, ömtålig molekyl. Det kommer att gå sönder i 100 delar om du bara tittar på det fel, säger Gibson. Om det suspenderades i en flytande lösning skulle DNA:t kunna förstöras bara genom att vätskan förflyttas. Så Gibson immobiliserar genomen i agaros, en alghärledd gel som vanligtvis används som medium för mikrober. Inkapslade i denna skyddande pellet kan de säkert förvaras tills forskarna är redo att transplantera dem till mottagarceller.

Liten transplantation

I ett labb nere i korridoren har Ma förberett cellerna som ska ta emot den nya sekvensen: en bakterieart som kallas Mycoplasma capricolum som är nära besläktad med arten som det syntetiska genomet härrör från. Medan ett enzym som bryter ned agaros gör DNA-innehållande pellets flytande i ett provrör, får Ma ett annat provrör och blandar bakterierna med kalciumklorid och polyetylenglykol, en cocktail som forskarna tror gör cellernas ytor formbara och klibbiga. Nu är det en fråga om slumpen och en stadig hand. Ma pipetterar en del av cellblandningen i flaskan som innehåller de syntetiska genomslingorna. De klibbiga cellerna börjar smälta samman med varandra. För att behålla sin sfäriska form efter fusion måste de ta in volym från lösningen runt dem. När detta händer tar vissa celler - ungefär en av 100 000 - också in det syntetiska genomet. Resultatet är en sorts supercell med tre genom – det syntetiska genomet och ett från var och en av de två cellerna. Supercellen delar sig sedan i tre mindre celler, varav en innehåller det syntetiska genomet.

Ma smetar celllösningen på odlingsplattor som innehåller ett antibiotikum som endast celler med det syntetiska genomet är resistenta mot (under genomredigeringsprocessen lade forskarna till en gen som gör dem ogenomträngliga för det). Dessa celler kommer att leva, växa och dela sig under kontroll av det nya genomet. Resten dör och lämnar efter sig en ren koloni av syntetiska celler.

Nästa steg för Venter-institutets forskare är att använda sina genomiska redigerings-, syntetiserings- och transplantationstekniker för att designa och testa genom med färre och färre gener. Målet är att skapa en minimal cell - en med bara de gener den behöver för att överleva. En sådan cell kan vara lättare än en naturlig att förändra genom genteknik.

Forskarnas metoder är för närvarande mycket dyra: det kostar 300 000 till 500 000 dollar att tillverka och transplantera ett syntetiskt genom om forskarna syntetiserar DNA i egen regi, eller ungefär tre gånger så mycket om de köper det från en extern leverantör. Ändå faller priset på DNA-syntes och kan fortsätta att sjunka ytterligare när efterfrågan ökar och tekniken förbättras. Om det händer och genombyggande tekniker visar sig vara lika användbara som Venter-forskarna hoppas att de kommer att göra, kommer fler människor att börja ta till sig deras metoder, säger James Collins, professor i biomedicinsk teknik vid Boston University.

Detta är ett betydande framsteg för syntetisk biologi, säger Collins. Nu måste vi se vilka förändringar som kan införas i genomet?

Dölj