Είναι δυνατόν να επαναπρογραμματίσουμε τη ζωή κατά βούληση; Για τους συνθετικούς βιολόγους, ναι. Ο βασικός κώδικας της βιολογίας είναι απλός. Τα γράμματα του DNA, σε ομάδες των τριών, μεταφράζονται σε μπλοκ αμινοξέων που μοιάζουν με Lego και παράγουν πρωτεΐνες. Οι πρωτεΐνες χτίζουν το σώμα μας, ρυθμίζουν το μεταβολισμό μας και μας επιτρέπουν να λειτουργούμε ως έμβια όντα. Ο σχεδιασμός προσαρμοσμένων πρωτεϊνών συχνά σημαίνει ότι μπορείτε ναεπανασχεδιασμός μικρών πτυχών της ζωής - για παράδειγμα, να κάνουμε ένα βακτήριο να αντλεί φάρμακα που σώζουν ζωές, όπως η ινσουλίνη.

Όλη η ζωή στη Γη ακολουθεί αυτόν τον κανόνα: ένας συνδυασμός 64 τριπλών κωδίκων DNA, ή "κωδικόνια", μεταφράζεται σε 20 αμινοξέα.

Αλλά περίμενε, τα μαθηματικά δεν βγάζουν νόημα. Γιατί 64 εξειδικευμένα κωδικόνια να μην παράγουν 64 αμινοξέα; Ο λόγος είναι ο πλεονασμός.Η ζωή έχει εξελιχθεί έτσι ώστε πολλαπλά κωδικόνια να παράγουν συχνά το ίδιο αμινοξύ.

Τι θα συμβεί λοιπόν αν μπούμε σε αυτά τα περιττά "επιπλέον" κωδικόνια όλων των έμβιων όντων και εισαγάγουμε τον δικό μας κώδικα;

Μια ομάδα του Πανεπιστημίου του Κέιμπριτζ έκανε πρόσφατα ακριβώς αυτό. Σε ένα τεχνολογικό tour de force, χρησιμοποίησαν το CRISPR για να αντικαταστήσουν περισσότερα από 18.000 κωδικόνια με συνθετικά αμινοξέα που δεν υπάρχουν πουθενά στον φυσικό κόσμο. Το αποτέλεσμα είναι ένα βακτήριο που είναι πρακτικά ανθεκτικό σε όλες τις ιογενείς λοιμώξεις - επειδή δεν έχει τις κανονικές πρωτεϊνικές "χειρολαβές" που τοοι ιοί χρειάζονται για να μολύνουν το κύτταρο.

Αλλά αυτό είναι μόνο η αρχή για τις υπερδυνάμεις της μηχανικής της ζωής. Μέχρι τώρα, οι επιστήμονες έχουν καταφέρει να εισάγουν μόνο ένα μόνο μηχανικά επεξεργασμένο αμινοξύ σε έναν ζωντανό οργανισμό. Η νέα εργασία ανοίγει την πόρτα για να χακάρουν πολλά υπάρχοντα κωδικόνια ταυτόχρονα, αντιγράφοντας τουλάχιστον τρία συνθετικά αμινοξέα ταυτόχρονα. Και όταν είναι τρία από τα 20, αυτό είναι αρκετό για να ξαναγράψουν εκ βάθρωντη ζωή όπως υπάρχει στη γη.

"Σκεφτόμασταν από καιρό ότι η απελευθέρωση ενός υποσυνόλου ... κωδικονίων για επαναπροσδιορισμό θα μπορούσε να βελτιώσει την ευρωστία και την ευελιξία της τεχνολογίας επέκτασης του γενετικού κώδικα", έγραψαν οι δρ Delilah Jewel και Abhishek Chatterjee από το Boston College, οι οποίοι δεν συμμετείχαν στη μελέτη. "Αυτή η εργασία μετατρέπει κομψά αυτό το όνειρο σε πραγματικότητα".

Χακάροντας τον κώδικα του DNA

Ο γενετικός μας κώδικας αποτελεί τη βάση της ζωής, της κληρονομικότητας και της εξέλιξης, αλλά λειτουργεί μόνο με τη βοήθεια των πρωτεϊνών.

Το πρόγραμμα της μετατροπής των γονιδίων, γραμμένων στα τέσσερα γράμματα του DNA, στα πραγματικά δομικά στοιχεία της ζωής εξαρτάται από ένα πλήρες κυτταρικό εργοστάσιο αποκρυπτογράφησης.

Σκεφτείτε τα γράμματα A, T, C και G στο DNA σαν ένα μυστικό κώδικα, γραμμένο σε ένα μακρύ τσαλακωμένο κομμάτι χαρτί τυλιγμένο γύρω από έναν πάπυρο. Ομάδες τριών "γραμμάτων", ή κωδικόνια, είναι η ουσία - ο κώδικας αμινοξέων που παράγει ένα κύτταρο. Ένα μόριο αγγελιοφόρος (mRNA), ένα είδος κατασκόπου, αντιγράφει κρυφά το μήνυμα του DNA και επιστρέφει στον κυτταρικό κόσμο, μεταφέροντας το μήνυμα στο εργοστάσιο πρωτεϊνών τουκύτταρο - ένα είδος κεντρικής οργάνωσης πληροφοριών.

Εκεί, το εργοστάσιο επιστρατεύει πολλαπλούς "μεταφραστές" για να αποκρυπτογραφήσουν τον γενετικό κώδικα σε αμινοξέα, που ονομάζονται εύστοχα tRNA. Τα γράμματα ομαδοποιούνται σε τρία, και κάθε μεταφραστής tRNA σέρνει φυσικά το σχετικό αμινοξύ στο εργοστάσιο πρωτεϊνών, ένα προς ένα, έτσι ώστε το εργοστάσιο να φτιάξει τελικά μια αλυσίδα που τυλίγεται σε μια τρισδιάστατη πρωτεΐνη.

Αλλά όπως κάθε ισχυρός κώδικας, η φύση έχει προγραμματίσει πλεονασμό στη διαδικασία μετάφρασης από το DNA σε πρωτεΐνη. Για παράδειγμα, οι κώδικες DNA TCG, TCA, AGC και AGT κωδικοποιούν όλα ένα μόνο αμινοξύ, τη σερίνη. Ενώ αυτό λειτουργεί στη βιολογία, οι συγγραφείς αναρωτήθηκαν, τι θα γινόταν αν παραβιάζαμε αυτόν τον κώδικα, τον καταχραζόμασταν και ανακατευθύναμε κάποιες από τις κατευθύνσεις της ζωής χρησιμοποιώντας αμινοξέα.συνθετικά;

Η πειρατεία του φυσικού κώδικα

Η νέα μελέτη θεωρεί τον πλεονασμό της φύσης ως έναν τρόπο εισαγωγής νέων δυνατοτήτων στα κύτταρα.

Για εμάς, ένα ερώτημα ήταν "θα μπορούσατε να μειώσετε τον αριθμό των κωδικών που χρησιμοποιούνται για την κωδικοποίηση ενός συγκεκριμένου αμινοξέος, και έτσι να δημιουργήσετε κωδικούς που είναι ελεύθεροι να δημιουργήσουν άλλα μονομερή [αμινοξέα];" ρώτησε ο επικεφαλής συγγραφέας Dr Jason Chin.

Για παράδειγμα, αν το TCG είναι για το serene, γιατί να μην απελευθερωθούν τα υπόλοιπα-TCA, AGC και AGT για κάτι άλλο;

Είναι μια σπουδαία ιδέα στη θεωρία, αλλά ένα πραγματικά τρομακτικό έργο στην πράξη. Σημαίνει ότι η ομάδα πρέπει να μπει σε ένα κύτταρο και να αντικαταστήσει κάθε κωδικόνιο που θέλει να επαναπρογραμματίσει. Πριν από μερικά χρόνια, η ίδια ομάδα έδειξε ότι αυτό είναι εφικτό στο E. Coli, το αγαπημένο έντομο του εργαστηρίου και της φαρμακοβιομηχανίας. Τότε, η ομάδα έκανε ένα αστρονομικό άλμα στη συνθετική βιολογία συνθέτονταςΚατά τη διαδικασία αυτή, έπαιξαν επίσης με το φυσικό γονιδίωμα, απλοποιώντας το αντικαθιστώντας ορισμένα κωδικόνια αμινοξέων με τα συνώνυμά τους - ας πούμε, αφαιρώντας τα TCGs και αντικαθιστώντας τα με AGCs. Ακόμα και με τις τροποποιήσεις, τα βακτήρια ήταν σε θέση να ευδοκιμήσουν και να αναπαραχθούν εύκολα.

Είναι σαν να παίρνεις ένα πολύ μεγάλο βιβλίο και να βρίσκεις ποιες λέξεις μπορείς να αντικαταστήσεις με συνώνυμα χωρίς να αλλάξεις το νόημα των προτάσεων - έτσι ώστε οι αλλαγές να μην βλάψουν φυσικά την επιβίωση των βακτηρίων. Ένα κόλπο, για παράδειγμα, ήταν να διαγράψεις μια πρωτεΐνη που ονομάζεται "παράγοντας απελευθέρωσης 1", η οποία διευκολύνει τον επαναπρογραμματισμό του κωδικονίου UAG με ένα νέο αμινοξύ. Προηγούμενες εργασίες έχουν δείξει ότι αυτό μπορεί νααναθέτουν νέα δομικά στοιχεία σε φυσικά κωδικόνια που είναι πραγματικά "κενά" - δηλαδή δεν κωδικοποιούν ούτως ή άλλως τίποτα από τη φύση τους.

Ένα συνθετικό πλάσμα

Η ομάδα του Τσιν το πήγε πολύ παραπέρα. Ετοίμασαν μια μέθοδο που ονομάζεται REXER (replicon excision for enhanced genome engineering through programmed recombination) - ναι, οι επιστήμονες είναι όλοι για τα backcronyms - η οποία περιλαμβάνει το εργαλείο γονιδιακής επεξεργασίας CRISPR-Cas9. Με το CRISPR, εξήγαγαν με ακρίβεια μεγάλα τμήματα του γονιδιώματος του βακτηρίου E. coli που φτιάχτηκε εξ ολοκλήρου από το μηδέν.μέσα σε ένα δοκιμαστικό σωλήνα και στη συνέχεια αντικατέστησε περισσότερες από 18.000 εμφανίσεις "επιπλέον" κωδικών που κωδικοποιούν τη σερίνη με συνώνυμα κωδικόνια.

Καθώς το τέχνασμα στόχευε μόνο τον περιττό πρωτεϊνικό κώδικα, τα κύτταρα ήταν σε θέση να συνεχίσουν την κανονική τους δουλειά - συμπεριλαμβανομένης της παραγωγής ορού - αλλά τώρα με πολλαπλά ελεύθερα φυσικά κωδικόνια. Είναι σαν να αντικαθιστάς το "hi" με το "oy", κάνοντας το "hi" τώρα ελεύθερο να του αποδοθεί μια εντελώς διαφορετική σημασία.

Η ομάδα έκανε στη συνέχεια μια εκκαθάριση. Αφαίρεσαν τους φυσικούς μεταφραστές των κυττάρων - τα tRNAs - οι οποίοι κανονικά διαβάζουν τα πλέον διαγραμμένα κωδικόνια χωρίς να βλάπτουν τα κύτταρα. Εισήγαγαν νέες συνθετικές εκδόσεις των tRNAs για να διαβάζουν τα νέα κωδικόνια. Τα τροποποιημένα βακτήρια αναπτύχθηκαν στη συνέχεια με φυσικό τρόπο μέσα σε ένα δοκιμαστικό σωλήνα για να αναπτυχθούν ταχύτερα.

Τα αποτελέσματα ήταν θεαματικά. Το υπερδύναμο στέλεχος, Syn61.Δ3(ev5), είναι ουσιαστικά ένα βακτήριο X-Men που αναπτύσσεται γρήγορα και είναι ανθεκτικό σε ένα κοκτέιλ διαφορετικών ιών που συνήθως μολύνουν βακτήρια.

"Δεδομένου ότι όλη η βιολογία χρησιμοποιεί τον ίδιο γενετικό κώδικα, τα ίδια 64 κωδικόνια και τα ίδια 20 αμινοξέα, αυτό σημαίνει ότι και οι ιοί χρησιμοποιούν τον ίδιο κώδικα... χρησιμοποιούν τον μηχανισμό του κυττάρου για να κατασκευάσουν τις ιικές πρωτεΐνες για την αναπαραγωγή του ιού", εξήγησε ο Τσιν. Τώρα που το βακτηριακό κύτταρο δεν μπορεί πλέον να διαβάσει τον πρότυπο γενετικό κώδικα της φύσης, ο ιός δεν μπορεί πλέον να εισέλθει στον μηχανισμόβακτηρίων για να αναπαραχθούν, πράγμα που σημαίνει ότι τα τροποποιημένα κύτταρα είναι πλέον ανθεκτικά στην πειρατεία από σχεδόν οποιονδήποτε ιό εισβολέα".

"Αυτά τα βακτήρια μπορούν να μετατραπούν σε ανανεώσιμα, προγραμματιζόμενα εργοστάσια που παράγουν ένα ευρύ φάσμα νέων μορίων με νέες ιδιότητες, τα οποία θα μπορούσαν να έχουν οφέλη για τη βιοτεχνολογία και την ιατρική, συμπεριλαμβανομένης της παρασκευής νέων φαρμάκων, όπως νέα αντιβιοτικά", δήλωσε ο Chin.

Παρά την ιογενή μόλυνση, η μελέτη επαναδιατυπώνει το τι είναι δυνατό για τη συνθετική βιολογία.

"Αυτό θα επιτρέψει αμέτρητες εφαρμογές", δήλωσαν οι Jewel και Chatterjee, όπως εντελώς τεχνητά βιοπολυμερή, δηλαδή βιολογικά συμβατά υλικά που θα μπορούσαν να αλλάξουν ολόκληρους κλάδους, όπως η ιατρική ή οι διεπαφές εγκεφάλου-μηχανής. Στην προκειμένη περίπτωση, η ομάδα κατάφερε να συνδέσει μια αλυσίδα τεχνητών δομικών στοιχείων αμινοξέων για να φτιάξει ένα είδος μορίου που σχηματίζει τοβάση ορισμένων φαρμάκων, όπως αυτά για τον καρκίνο ή τα αντιβιοτικά.

Αλλά ίσως η πιο συναρπαστική προοπτική είναι η δυνατότητα να ξαναγράψουμε δραματικά την υπάρχουσα ζωή. Παρόμοια με τα βακτήρια, εμείς - και όλη η ζωή στη βιόσφαιρα - λειτουργούμε με τον ίδιο βιολογικό κώδικα. Η μελέτη δείχνει τώρα ότι είναι δυνατόν να ξεπεράσουμε το εμπόδιο των μόλις 20 αμινοξέων που αποτελούν τα δομικά στοιχεία της ζωής, αξιοποιώντας τις φυσικές βιολογικές μας διαδικασίες.

Στη συνέχεια, η ομάδα επιδιώκει τον περαιτέρω επαναπρογραμματισμό του φυσικού βιολογικού μας κώδικα για την κωδικοποίηση ακόμη περισσότερων συνθετικών πρωτεϊνικών δομικών στοιχείων σε βακτηριακά κύτταρα. Θα προχωρήσουν επίσης σε άλλα κύτταρα - θηλαστικά, για παράδειγμα, για να δουν αν είναι δυνατόν να συμπιέσουν τον γενετικό μας κώδικα.

Αυτό το άρθρο εμφανίστηκε για πρώτη φορά στο Singularity Hub, μεταφρασμένο από την SOCIENTIFIC.