Je možné přeprogramovat život podle libosti? Pro syntetické biology ano. Základní kód biologie je jednoduchý. Písmena DNA ve skupinách po třech se překládají do bloků aminokyselin podobných kostkám Lego, které vytvářejí bílkoviny. Bílkoviny staví naše těla, regulují náš metabolismus a umožňují nám fungovat jako živé bytosti. Navrhování vlastních bílkovin často znamená, že můžete...přepracování drobných aspektů života - například přimět bakterii, aby pumpovala životně důležité léky, jako je inzulín.

Veškerý život na Zemi se řídí tímto pravidlem: kombinace 64 tripletových kódů DNA neboli "kodonů" se překládá do 20 aminokyselin.

Proč by 64 vyhrazených kodonů nemohlo produkovat 64 aminokyselin? Důvodem je redundance. život se vyvinul tak, že více kodonů často produkuje stejnou aminokyselinu.

Co se tedy stane, když se pustíme do těch nadbytečných "přebytečných" kodonů všech živých tvorů a místo nich vložíme svůj vlastní kód?

Tým z Cambridgeské univerzity to nedávno dokázal. Pomocí technologie CRISPR nahradil více než 18 000 kodonů syntetickými aminokyselinami, které se v přírodě nikde nevyskytují. Výsledkem je bakterie, která je prakticky odolná vůči všem virovým infekcím - chybí jí totiž běžné bílkovinné "kliky", které se v přírodě vyskytují.viry potřebují k infikování buňky.

Ale to je pro superschopnosti inženýrství života teprve začátek. Zatím se vědcům podařilo do živého organismu zavést pouze jednu upravenou aminokyselinu. Nová práce otevírá dveře k nabourání několika existujících kodonů najednou, zkopírování nejméně tří syntetických aminokyselin najednou. A když jsou to tři z dvaceti, stačí to k zásadnímu přepsání.život, jaký existuje na Zemi.

"Dlouho jsme si mysleli, že uvolnění podskupiny ... kodonů pro změnu přiřazení by mohlo zlepšit robustnost a univerzálnost technologie rozšiřování genetického kódu," napsali doktoři Delilah Jewel a Abhishek Chatterjee z Boston College, kteří se na studii nepodíleli. "Tato práce elegantně mění tento sen ve skutečnost."

Hackování kódu DNA

Náš genetický kód je základem života, dědičnosti a evoluce. Funguje však pouze s pomocí bílkovin.

Program překladu genů zapsaných ve čtyřech písmenech DNA do skutečných stavebních kamenů života závisí na kompletní buněčné továrně na dešifrování.

Představte si písmena A, T, C a G v DNA jako tajný kód, napsaný na dlouhém pomačkaném listu papíru omotaném kolem svitku. Skupiny tří "písmen" neboli kodony jsou jádrem - kódem aminokyselin, které buňka vytváří. Poselská molekula (mRNA), jakýsi špión, nenápadně kopíruje zprávu DNA a vrací se do buněčného světa, aby zprávu předala továrně na bílkovinybuňka - jakási centrální zpravodajská organizace.

Tam továrna najme několik "překladačů", kteří rozluští genetický kód na aminokyseliny, příhodně pojmenované tRNA. Písmena se seskupí do tří a každý překladač tRNA fyzicky vtáhne přidruženou aminokyselinu do továrny na bílkoviny, jednu po druhé, takže továrna nakonec vytvoří řetězec, který se sroluje do 3D bílkoviny.

Ale jako každý robustní kód, i příroda naprogramovala do procesu překladu DNA do bílkovin redundanci. Například kódy DNA TCG, TCA, AGC a AGT kódují jedinou aminokyselinu, serin. I když to v biologii funguje, autoři si položili otázku, co kdybychom se do tohoto kódu nabourali, unesli ho a přesměrovali některé životní směry pomocí aminokyselin.syntetika?

Únos přirozeného kódu

Nová studie vidí přírodní redundanci jako způsob, jak do buněk vnést nové schopnosti.

Jednou z otázek pro nás bylo: "Mohli byste snížit počet kodonů, které se používají ke kódování určité aminokyseliny, a vytvořit tak kodony, které jsou volné pro tvorbu dalších monomerů [aminokyselin]?" ptal se vedoucí autor Dr. Jason Chin.

Například, pokud je TCG pro klid, proč neuvolnit ostatní - TCA, AGC a AGT - pro něco jiného?

Teoreticky je to skvělá myšlenka, ale v praxi je to opravdu náročný úkol. Znamená to, že tým musí vstoupit do buňky a nahradit každý kodon, který chce přeprogramovat. Před několika lety stejná skupina ukázala, že je to možné v E. Coli, oblíbeném hmyzu laboratoří a farmaceutických firem. Tehdy tým udělal astronomický skok v syntetické biologii, když syntetizovalPři tom si také pohráli s přirozeným genomem a zjednodušili ho nahrazením některých kodonů aminokyselin jejich synonymy - například odstraněním TCG a jejich nahrazením AGC. I po těchto úpravách byly bakterie schopny prosperovat a snadno se množit.

Je to jako vzít velmi dlouhou knihu a vymyslet, která slova nahradit synonymy, aniž by se změnil smysl vět - tak, aby úpravy fyzicky nepoškodily přežití bakterií. Jedním z triků bylo například odstranění proteinu zvaného "uvolňovací faktor 1", který usnadňuje přeprogramování kodonu UAG novou aminokyselinou. Předchozí práce ukázaly, že to dokážepřiřadit nové stavební bloky přirozeným kodonům, které jsou skutečně "prázdné" - to znamená, že stejně nic přirozeně nekódují.

Syntetický tvor

Chinův tým zašel mnohem dál. Připravili metodu nazvanou REXER (replicon excision for enhanced genome engineering through programmed recombination) - ano, vědci si potrpí na zkratky -, jejíž součástí je nástroj pro úpravu genů CRISPR-Cas9. Pomocí CRISPRu přesně vyčlenili velké části genomu bakterie E. coli vytvořené zcela od nuly.ve zkumavce a poté nahradil více než 18 000 výskytů "nadbytečných" kodonů, které kódují serin, synonymními kodony.

Protože se trik zaměřil pouze na nadbytečný proteinový kód, buňky mohly pokračovat ve své běžné činnosti - včetně produkce séra - ale nyní s několika volnými přirozenými kodony. Je to jako nahradit "hi" za "oy", takže "hi" nyní může mít zcela jiný význam.

Poté tým provedl úklid. Odstranili přirozené translátory buněk - tRNA - které normálně četly nyní odstraněné kodony, aniž by buňkám ublížily. Zavedli nové syntetické verze tRNA, které četly nové kodony. Upravené bakterie pak byly přirozeně pěstovány ve zkumavce, aby rostly rychleji.

Superpotentní kmen Syn61.Δ3(ev5) je v podstatě bakterie jako z filmu X-Men, která rychle roste a je odolná vůči koktejlu různých virů, které běžně infikují bakterie.

"Protože celá biologie používá stejný genetický kód, stejných 64 kodonů a stejných 20 aminokyselin, znamená to, že stejný kód používají i viry... využívají stroj buňky ke stavbě virových bílkovin, které slouží k reprodukci viru," vysvětlil Chin. Nyní, když bakteriální buňka již nedokáže přečíst standardní genetický kód přírody, virus již nemůže vstoupit do strojebakterií, což znamená, že upravené buňky jsou nyní odolné vůči napadení téměř jakýmkoli virovým útočníkem."

"Tyto bakterie lze přeměnit na obnovitelné, programovatelné továrny, které produkují širokou škálu nových molekul s novými vlastnostmi, což by mohlo mít přínos pro biotechnologie a medicínu, včetně výroby nových léků, jako jsou nová antibiotika," řekl Chin.

Navzdory virové infekci studie přepisuje možnosti syntetické biologie.

"To umožní nespočet aplikací," řekli Jewel a Chatterjee, jako jsou například zcela umělé biopolymery, tj. biologicky kompatibilní materiály, které by mohly změnit celé obory, jako je medicína nebo rozhraní mezi mozkem a strojem. V tomto případě se týmu podařilo spojit řetězec umělých aminokyselinových stavebních bloků a vytvořit typ molekuly, která tvoří tzv.základ některých léků, například léků na rakovinu nebo antibiotik.

Možná nejzajímavější vyhlídkou je však možnost dramaticky přepsat existující život. Podobně jako bakterie, i my - a veškerý život v biosféře - pracujeme se stejným biologickým kódem. Studie nyní ukazuje, že je možné překonat překážku pouhých 20 aminokyselin, které tvoří stavební kameny života, využitím našich přirozených biologických procesů.

Dále se tým snaží dále přeprogramovat náš přirozený biologický kód a zakódovat ještě více syntetických proteinových stavebních kamenů v bakteriálních buňkách. Přesunou se také do jiných buněk - například savců, aby zjistili, zda je možné stlačit náš genetický kód.

Tento článek vyšel nejprve na Singularity Hub, přeložil SOCIENTIFIC.