211service.com
Syntetiskt genom startar om cell
I kulmen på ett projekt som sträcker sig över 15 år, forskare vid J. Craig Venter Institute har konstruerat den första cellen som kontrolleras av ett syntetiskt genom.
Börja från början: Forskare startade om bakterieceller genom att transplantera en syntetisk version av Mycoplasma mycoides-genomet tillverkat i labbet. Det syntetiska genomet innehåller en markörgen som gör en blå förening, så de syntetiska cellerna bildar blå kolonier (överst). Det naturligt förekommande M. mycoides-genomet saknar den genen, så vildtypscellerna bildar vita kolonier (botten).
Det här är första gången som informationen om en genomsekvens har förvandlats till liv igen, säger Chris Voigt , en syntetisk biolog vid University of California, San Francisco, som inte var involverad i projektet. Det är verkligen anmärkningsvärt.
Med hjälp av en metod som utvecklades 2008, syntetiserade forskarna, ledda av genomikpionjären Craig Venter, genomet från en liten bakterie som heter Mycoplasma mycoides , innehållande drygt en miljon DNA-baspar. Därefter transplanterade de det syntetiska genomet till en besläktad bakterie, Mycoplasma capricolum , i en process som de tidigare hade fulländat med hjälp av icke-syntetiska kromosomer.
När väl mottagarcellerna inkorporerade det syntetiska genomet, började de omedelbart utföra instruktionerna som kodas i genomet. Cellerna tillverkas endast M. mycoides proteiner, och inom några omgångar av självreplikation var alla spår av mottagararten borta. Resultaten var publiceras Torsdag i tidningens nätupplaga Vetenskap .
För att skilja deras syntetiska genom från den naturligt förekommande versionen kodade forskarna in en serie vattenstämplar i sekvensen. De började med att utveckla en kod för att skriva det engelska alfabetet, såväl som skiljetecken och siffror, till DNA-språket – en avkodningsnyckel ingår i själva sekvensen. Sedan skrev de in sina namn, några citat och adressen till en webbplats som folk kan besöka om de lyckas knäcka koden.
När det gäller att skapa syntetiskt liv är detta projekt ett bevis på principen: bortsett från vattenstämplarna och en handfull gendeletioner för att minska artens förmåga att orsaka sjukdom, återskapar det syntetiska genomet i huvudsak ett naturligt förekommande. Venter hoppas att den syntetiska genomteknologin i framtiden kan användas för att designa och utveckla helt nya organismer, med omfattande praktiska tillämpningar.
Venter och hans kollegor arbetar med Novartis och National Institutes of Health för att syntetisera kassetter – kluster av gener som skulle kunna infogas i ett syntetiskt genom – för alla kända influensavirus i ett försök att effektivisera vaccintillverkningsprocessen. De föreställer sig ett system där, om en ny stam som H1N1 dök upp, att utveckla ett vaccin skulle vara lika enkelt som att blanda gener som kodar för de relevanta virala fragmenten till ett syntetiskt genom. Detta kan sedan ge en cell som kan användas för att snabbt tillverka produkten.
Forskarna samarbetar också med ExxonMobil att se över algceller till levande bränslefabriker som effektivt skulle omvandla koldioxid till kolväten som skulle kunna bearbetas i raffinaderier. Det finns inga befintliga celler som vi har kunnat hitta som gör den processen tillräckligt effektivt för att göra den ekonomiskt lönsam, säger Venter.
Andra potentiella tillämpningar inkluderar design av syntetiska mikrober som kan rena vatten eller tillverka kemikalier eller livsmedelsingredienser. Jag förutspår inom ett decennium att alla celler som används i industriella processer kommer att tillverkas syntetiskt, säger Venter.
För detta ändamål planerar forskarna att så småningom utveckla en sorts universell mottagarcell som kan starta upp vilket donatorgenom som helst. Transplantationsprocessen har visat sig vara den mest tekniskt utmanande aspekten av att bygga en syntetisk cell, säger Venter, och det skulle vara idealiskt att undvika en ny omgång av felsökning för varje nytt system som utvecklas.
För nu, säger Voigt, är det största hindret för att förverkliga potentialen hos syntetisk genomik gapet mellan vår förmåga att syntetisera DNA och vår förmåga att designa det. Det kommer att bli nästa generations forskning, säger han. Tekniken kring att bygga DNA är mogen nu, och det kommer att bli verktygslådan för att designa det som kommer härnäst.
Utöver praktiska tillämpningar hoppas Venter också att syntetiska celler kommer att hjälpa till att belysa livets grundläggande funktioner, kanske tillåta forskare att dechiffrera exakt vad varje komponent i en bakteriecell gör. Även om arvsmassan från otaliga organismer nu har sekvenserats, säger Venter, förstår vi fortfarande inte helt hur ens de enklaste livsformerna fungerar. Vi vill försöka göra en av dessa celler till det bäst förstådda cellsystemet inom biologi, säger han.
Venter pekar också på vad cellerna – som drivs av genom tillverkade i ett labb från fyra flaskor med kemikalier, baserat på instruktioner lagrade på en dator – avslöjar om vad liv är. Det här är lika mycket ett filosofiskt som ett tekniskt framsteg, säger han. Uppfattningen att detta är möjligt betyder att bakterieceller är mjukvarudrivna biologiska maskiner. Om du ändrar programvaran bygger du en ny maskin. Jag är fortfarande förvånad över det.
Utvecklingen belyser det faktum att vi går ut ur den era där celler och DNA fysiskt måste överföras från en plats till en annan, säger Voigt, till en där biologi är en informationsvetenskap. Det skulle nu vara möjligt att sekvensera en organisms genom i San Francisco, e-posta sekvensen över hela landet och få den organismen till i ett labb i Maryland. Bara informationen ensam kan rekonstruera den organismen och omvandla den tillbaka till liv, säger Voigt.