Jetë E Re Bërë Me Mbrojtje Të Zakonshme

2023 Autor: Peter Bradberry | [email protected]. E modifikuara e fundit: 2023-05-21 22:38

Një bakter i famshëm për helmimin nga ushqimi ka gjenetikën e tij të ndryshuar për të prodhuar karburant ose farmaceutikë-dhe për ta mbajtur atë të mos ikë nga laboratori.

Një klasë e re e specieve mund të jetë shpikur, dhe të gjitha në emër të sigurisë. Kolonitë e Escherichia coli - bug i zorrëve i famshëm nga shpërthimet e helmimit nga ushqimi - u është rregulluar gjenetika në një mënyrë që i bën ata të prodhojnë molekula të dobishme, të tilla si lëndë djegëse ose farmaceutike.

Por mikrobe të tilla të modifikuara mund të rezultojnë problematike nëse bakteret mikroskopike shpëtojnë nga laboratori, veçanërisht nëse arrihet qëllimi i studiuesve për t'i pajisur ata me rezistencë ndaj infeksionit viral përmes manipulimit gjenetik. Një rezistencë e tillë është e dobishme për të mbajtur koloni të gjalla për kërkime, por mund të kthejë një formë të re nga një mikrob që mund të mbijetojë vetëm në laborator ose një mjedis industrial në një bakter që mund të tejkalojë vëllezërit e tij të egër. Deri tani studiuesit në të dy universitetet e Yale dhe Harvard kanë demonstruar se si të ndërtohen kontrollet e sigurisë: Ata i kanë bërë mikrobet të varura nga aminoacidet artificiale për të bërë proteinat e nevojshme për jetën. Nëse nuk ushqehen me qëllim me ato aminoacide, çdo bakter i shpëtuar do të vdiste. "Kjo shton një pengesë tjetër të rëndësishme të sigurisë", thotë biologu Farren Isaacs nga Universiteti Yale, autor i vjetër në njërin nga dy punimet që paraqesin këtë qasje të botuar në internet në Nature më 21 Janar. (Scientific American është pjesë e Grupit të Botimeve të Natyrës.)

Ekipet në Yale dhe në Shkollën Mjekësore të Harvardit kanë punuar me të ashtuquajtur organizma të kodifikuar gjenetikisht, një E. coli që ka pasur modifikimin gjenetik të çohet në nivelin tjetër me ndryshime të shumta në kodin e tij gjenetik. Në fakt, këta E. coli të rekodifikuar (RE. Coli) kanë një nga 64 frazat e kodonit të ADN-së ose ARN-së së gjenomit që korrespondojnë me një aminoacid specifik ose identifikojnë kur makineritë qelizore duhet të ndalojnë ndërtimin e një proteine të shkëmbyer kudo ajo copë e kodit gjenetik shfaqet në të gjithë 4.6 milion çifte bazë të ADN-së në gjenomin e saj, më shumë se 300 modifikime në të gjitha. Si rezultat, kjo RE. coli nuk mund të ndërtojë më vete të paktën një nga proteinat e nevojshme për mbijetesën e tij pa një aminoacid sintetik me madhësi dhe formë të pazakontë që nuk gjendet në natyrë. Në thelb, studiuesit kanë ndërtuar format e para të jetës që mbështeten në një aminoacid të 21-të, jashtë 20 aminoacideve natyrale të përdorura për të ndërtuar proteina që mbajnë jetën nga të gjithë jetën e njohur në këtë planet.

Ka shumë aminoacide sintetike të tilla për të zgjedhur: Studiuesit e Harvardit ndërtuan duke u mbështetur në një aminoacid sintetik të quajtur bipA (shkurtimi i bifenilalaninës); ekipi i Yale zgjodhi aminoacidin sintetik pAzF (4-p-Azido-L-fenilalaninë). Disa gjene në secilin version të RE. coli që kontrollon prodhimin e domosdoshëm të proteinave u ndryshuan në mënyrë që mbledhja e proteinave të kërkonte aminoacidin sintetik sesa një nga 20 aminoacidet e zakonshme. "Nëse ata nuk mund ta prodhojnë atë [aminoacidin sintetik] dhe nuk mund ta pastrojnë atë, atëherë ata vdesin," shpjegon gjenetikisti George Church i Shkollës Mjekësore të Harvardit, autor i vjetër në letrën tjetër, "përveç atyre të mutuar mjaftueshëm kështu që ata nuk kanë më nevojë për të. ".

Në të ardhmen, gjenet për të gjitha 290 proteina që E. coli prodhon mund të ndryshohen në mënyrë që një aminoacid artificial të jetë i nevojshëm për të gjeneruar proteinën e koduar, megjithëse Kisha sugjeron që vetëm bërja e tre ose katër prej këtyre proteinave të mbështetura në një aminoacid sintetik duhet të jetë e mjaftueshme për të siguruar një shans më pak se një në 100 miliardë të një mutacioni të rastësishëm duke mundësuar që një version i mikrobit të rregulluar të jetojë jashtë laboratorit. Këto shanse nuk do të nënkuptojnë se ikja është e pamundur, natyrisht, por "e pamundur në botën reale do të thotë që praktikisht probabiliteti është më i ulët se çdo popullatë me madhësi që do të rritnit", vëren Church. Rrugët e tjera të arratisjes mund të jenë RE. qelizat coli që pastruan aminoacidet e rrjedhura nga qelizat e tjera të vdekura ose shkëmbyen gjenetikën e mjaftueshme me mikrobet e tjera për të gjetur një mënyrë për të mbijetuar. Rregulloret aktuale të Instituteve Kombëtare të Shëndetit për bioteknologjinë kërkojnë që jo më shumë se një mutant i tillë të shfaqet për 100 milion qeliza.

Kontrolli i ri i integruar i sigurisë - aminoacidet e tilla nuk gjenden jashtë laboratorit - gjithashtu mund të vijnë me një bonus për industrinë: rezistenca e baktereve ndaj infeksionit nga viruset. Versionet më të hershme të E. coli të kodifikuar kishin më pak ndryshime të kodonit, por këto rregullime i dhanë imunitet një virusi të zakonshëm. Thatshtë ajo aftësi për t'i rezistuar viruseve që mund të bëjnë që industria të marrë gjithashtu këtë kod të ri të sigurisë gjenetike. "Sapo t'i kombinoni ato të dyja, atëherë bëhet shumë tërheqëse", thotë Church, sepse mikrobet përmbahen në mënyrë të sigurt dhe kanë më pak rrezik të zhduken nga një infeksion.

"Njerëzit janë aq të brengosur”për sigurinë e inxhinierisë gjenetike, thotë Cai" Patrick "Yizhi, drejtor i Gjenerisë në Universitetin e Edinburgut, i cili po punon për strategji të ngjashme të përmbajtjes gjenetike për majanë. "Ju mund të rishkruani kodin e jetës", por bakteret e reja, sugjeron ai, do të jenë më të sigurta për arsye përtej varësisë së tyre nga aminoacidet sintetike. Llojet e reja, thotë ai, do të kenë probleme të mbijetojnë në të egra sepse nuk do të jenë në gjendje të ndërrojnë gjenet e dobishme me bakteret e tjera lehtësisht. "Ata nuk mund të komunikojnë me llojin e egër," vëren ai, "sepse [studiuesit] kanë krijuar një specie që flet me një fjalor të ndryshëm kimik."

Kontrolli gjenetik

Në vitin 2008, kompania me bazë në Cambridge, Mass. Genzyme u desh të mbyllte bioreaktorët e saj në Belgjikë, ku qelizat e vezoreve të lloj brejtësi kineze shkatërruan ilaçet Cerezyme dhe Fabrazyme, të cilat trajtojnë sëmundjet gjenetike. Qelizat vezore kishin rënë pre e një infeksioni të vezivirusit, i cili pengonte rritjen e tyre. Verën e ardhshme Genzyme përjetoi të njëjtin infeksion viral në bioreaktorët e saj në Allston, Mass. Çdo objekt duhej të mbyllej për disa muaj për të lejuar pastrimin e plotë, gjë që rezultoi në më shumë se ete kundër kushërirave të tyre të egër nëse liroheshin. Por nëse mikrobet kishin gjenetikë që i bën ata rezistentë ndaj infeksionit viral, ajo rezistencë mund të provojë një avantazh bindës në betejën evolucionare për mbijetesë. "Kjo kategori mund të konkurrojë dhe të bëhet një specie pushtuese në të egra," sugjeron Church. "Kjo nuk do të thotë se do të ishte keq për mjedisin, por mund të ketë ndikim."

Për të dalë përpara këtij problemi të mundshëm, ekipet testuan për të parë nëse nevoja për aminoacide sintetike do të parandalonte që bakteret rezistente ndaj virusit të jetonin jashtë laboratorit. "Ju e dëshironi të izoluar gjenetikisht dhe metabolikisht nga speciet e tjera", vëren Church. Grupi i tij u rrit me një trilion RE. qelizat coli të varura nga aminoacidet sintetike për të parë nëse ndonjë mund të evoluojë për të shpëtuar, dhe asnjë nuk ndodhi. Në eksperimentet ku RE. coli arriti të mbijetojë përmes mutacionit, E. coli i rregullt i kaloi me lehtësi mutantët e shpëtuar.

RE gjenetika e coli është aq e ndryshme nga kushërinjtë e saj të egër, në fakt, saqë nuk duhet të jetë në gjendje të ndërrojë me sukses gjenet me to. Ndryshimet RE.coli janë shpërndarë në të gjithë gjenomin; Prandaj, ose jo gjenet e mjaftueshme vijnë në një shkëmbim të tillë të njohur si transferimi i gjeneve horizontale-për të lejuar prodhimin dhe mbijetesën e duhur të proteinave ose të metat tregtojnë aq shumë gjenetikë sa E. coli i shkulur humbet edhe ndryshimet e tij të tjera. Në punën nga grupi i Harvardit, "ose ata nuk morën ADN të mjaftueshme për të shpëtuar ose morën aq shumë ADN sa që mbishkruan të gjithë gjenomin", shpjegon Daniel Mandell, një gjenetist në Shkollën Mjekësore të Harvardit dhe autor kryesor në letër nga laboratori i Kishës.

Në thelb, RE.coli flet një gjuhë tjetër kimike dhe gjenetike sesa E. coli. "Rikodimi krijon një mur mbrojtës gjenetik që parandalon shkëmbimin e materialit gjenetik," thotë Isaacs. Laboratori i tij po punon gjithashtu për metoda të tjera të përmbajtjes së tillë, duke përfshirë rregullimin e mëtejshëm të mënyrës sesi shprehen gjenet individuale ose krijimin e një pjese të makinerisë qelizore që pret gjenomin nëse disa kimikate nuk janë më të pranishme.

Pengesa më e rëndësishme për adoptimin e RE.coli dhe organizmave të tjerë të rekodifikuar ka të ngjarë të jetë kostoja e masave të sigurisë. Për shembull, pAzF kushton gati në sëmundje ".

Laboratori i Church tani po e shtrin këtë punë për të ndryshuar shtatë kode në të gjithë RE. gjeni coli, dhe jo vetëm ai, i cili mund të krijojë një mikrob që mund të prodhojë shumë përbërës të caktuar, t'i rezistojë viruseve dhe të jetë i paaftë të shpëtojë nga laboratori ose të shkaktojë telashe nëse lirohet në botën e gjerë. "Unë kam qenë befasuar këndshëm se sa i ulët ka qenë ndikimi në produktivitet," thotë Church.

Dhe Isaacs vëren se përfshirja e aminoacideve të reja të sintetizuara në proteinat bakteriale mund të bëjë të mundur kiminë e re, duke ndryshuar funksionin e këtyre proteinave. Ky ndryshim funksional, nga ana tjetër, mund të lejojë RE-në e rregulluar. coli për t'u bërë shkritore të gjalla që prodhojnë lloje të reja produktesh ose materialesh që kombinojnë aminoacidet sintetike dhe natyrore, të tilla si llojet e reja të ilaçeve të bazuara në proteina ose plastikat e reja. "Mund të jetë themeli i llojeve të reja të automjeteve të shpërndarjes së ilaçeve ose nanostrukturave, si dhe pesticideve antimikrobikë", thotë ai. "Rezultatet e hershme janë inkurajuese."

Jete e re

Ndryshimet e rëndësishme gjenetike nënkuptojnë gjithashtu se kjo RE e re sintetike. coli nuk është vetëm një specie e re. Mund të meritojë emërtimin si një klasë e re apo edhe një mbretëri e re e jetës sepse nuk mund të ndërveprojë më gjenetikisht me mikrobet e tjera. "Sapo kjo të bëhet mjaft e ndryshme, është një pengesë e kodit gjenetik ndryshe nga çdo që ka ekzistuar ndonjëherë në mbretërinë e jetës", argumenton Church.

Kjo tha, ikja nga kjo prangë gjenetike nuk është e pamundur. Modifikimet që përmirësojnë jetën, pavarësisht nëse jepen përmes një shansi të rastësishëm ose ngatërrese njerëzore, do të përparojnë dhe nuk është shpikur asnjë mbrojtje që të ketë qenë në gjendje të ndalojë evolucionin duke gjetur një mënyrë përreth saj. "It'sshtë një teknologji e shkëlqyeshme por nuk është fundi i lojës," vëren Cai. "Ne jemi vetëm në fillimet e një beteje të vazhdueshme."

Dhe puna nuk ndalet me E. coli. Rikodifikimi i tillë mund të shkallëzohet, me sfida natyrisht, për organizmat më të mëdhenj industrialë, të tilla si maja ose madje, ndoshta një ditë, bimë. "Bimët kanë nëntë herë më shumë gjene të kodifikimit të proteinave sesa E. coli", thotë Church, duke theksuar se kjo ndryshim do të thotë që më shumë ADN duhet të sintetizohet dhe futet në gjenomën e bimës, ndërsa gjithashtu përballet me rritjen relativisht të ngadaltë të bimëve ose qelizave bimore. krahasuar me mikrobet. "Moreshtë më shumë një sfidë por nuk është jashtë mundësive".