Je li moguće reprogramirati život po želji? Za sintetičke biologe, da. Temeljni kod biologije je jednostavan. DNK slova, u grupama od po tri, prevode se u blokove Lego-aminokiselina koje čine proteine. Proteini grade naše tijelo, reguliraju naš metabolizam i omogućuju nam da funkcioniramo kao živa bića. Dizajniranje prilagođenih proteina često znači da možete redizajnirati male aspekte života - na primjer, natjerati bakteriju da pumpa lijekove koji spašavaju živote poput inzulina.

Cijeli život na Zemlji slijedi ovo pravilo: kombinacija 64 DNK trostruka koda , ili “kodoni,” prevode se u 20 aminokiselina.

Ali čekajte. Matematika se ne zbraja. Zašto 64 posvećena kodona ne bi proizvela 64 aminokiseline? Razlog je redundantnost. Život se razvio na takav način da više kodona često proizvodi istu aminokiselinu.

Što se događa ako uđemo u te suvišne "ekstra" kodone svih živih bića i umjesto njih umetnemo vlastiti kod?

Tim sa Sveučilišta u Cambridgeu nedavno je učinio upravo to. U tehnološkom koraku, upotrijebili su CRISPR za zamjenu preko 18 000 kodona sintetskim aminokiselinama koje ne postoje nigdje u prirodnom svijetu. Rezultat je bakterija koja je gotovo otporna na sve virusne infekcije - jer nema "kvake"normalni proteinski proteini koji su virusima potrebni da zaraze stanicu.

Ali to je tek početak inženjerskih supermoći života. Do sada su znanstvenici uspjeli unijeti samo jednu aminokiselinu proizvedenu inženjerskim inženjeringom u živi organizam. Novi rad otvara vrata hakiranju više postojećih kodona odjednom, kopirajući najmanje tri sintetičke aminokiseline u isto vrijeme. A kada je 3 od 20, to je dovoljno da se temeljno prepiše život kakav postoji na Zemlji.

Dugo smo mislili da bi "oslobađanje podskupa... kodona za preraspodjelu moglo poboljšati robusnost i svestranost širenja genetskog koda tehnologija”, napisao je Dr. Delilah Jewel i Abhishek Chatterjee s koledža u Bostonu, koji nisu bili uključeni u studiju. "Ovaj rad elegantno pretvara taj san u stvarnost."

Hakiranje DNK koda

Naš genetski kod je temelj života, nasljeđa i evolucije. Ali radi samo uz pomoć proteina.

Program za prevođenje gena, zapisanih u četiri slova DNK, u prave građevne blokove života ovisi o kompletnoj staničnoj tvornici dešifriranja.

Zamislite slova A, T, C i G DNK kao tajnu šifru, napisanu na dugom komadu naboranog papira omotanom oko svitka. Skupine od tri “slova”, odnosno kodona, su suština – šifraaminokiseline koju stanica stvara. Glasnička molekula (mRNA), neka vrsta špijuna, potajno kopira DNK poruku i vraća se u stanični svijet, zaključavajući poruku u staničnu tvornicu proteina – neku vrstu središnje organizacije inteligencije.

Tamo, tvornica zapošljava više "prevoditelja" za dešifriranje genetskog koda u aminokiseline, prikladno nazvane tRNA. Slova su grupirana u tri, a svaki prevoditelj tRNA fizički vuče svoju pridruženu aminokiselinu u tvornicu proteina jednu po jednu, tako da tvornica na kraju napravi lanac koji se namotava u 3D protein.

Ali, kao i svaki robusni koda, priroda je ugradila redundantnost u svoj proces prevođenja DNK u protein. Na primjer, DNK kodira TCG, TCA, AGC i AGT, svi kodiraju jednu aminokiselinu, serin. Iako funkcionira u biologiji, autori su se pitali: što ako smo hakirali taj kod, ugrabili ga i preusmjerili neka od životnih smjerova pomoću sintetskih aminokiselina?

Hikiranje prirodnog koda

Novi Studija vidi prirodnu redundanciju kao način za uvođenje novih mogućnosti u stanice.

Za nas je pitanje bilo "možete li smanjiti broj kodona koji se koriste za kodiranje određene aminokiseline i tako stvoriti kodone koji slobodno stvarati druge monomere [aminokiseline]?" Upitaoglavni autor Dr. Jason Chin.

Na primjer, ako je TCG za mir, zašto ne pustiti ostale -TCA, AGC i AGT- za nešto drugo?

To je sjajna ideja u teoriji, ali uistinu zastrašujući zadatak u praksi. To znači da tim mora ući u stanicu i zamijeniti svaki kodon koji žele reprogramirati. Prije nekoliko godina ista je grupa pokazala da je to moguće kod E. Coli, omiljenog kukca laboratorija i farmaceutske tvrtke. U to je vrijeme tim napravio astronomski korak naprijed u sintetskoj biologiji sintetizirajući cijeli genom E. coli od nule. U procesu su se također igrali s prirodnim genomom, pojednostavljujući ga zamjenom nekih kodona aminokiselina njihovim sinonimima – recimo, uklanjanjem TCG-ova i zamjenom s AGC-ima. Čak i uz izmjene, bakterije su mogle napredovati i lako se razmnožavati.

To je kao da uzmete vrlo dugačku knjigu i smišljate koje riječi zamijeniti sinonimima bez promjene značenja rečenica – tako da uređivanja fizički ne štete opstanku bakterije. Jedan je trik, na primjer, bio brisanje proteina nazvanog "faktor oslobađanja 1", koji olakšava reprogramiranje UAG kodona s novom aminokiselinom. Prethodni rad je pokazao da ovo može dodijeliti nove građevne blokove prirodnim kodonima koji su doista "prazni" - to jest, oni ne kodirajuionako ništa prirodno.

Sintetičko stvorenje

Chinov tim otišao je mnogo dalje. Pripremila je metodu pod nazivom REXER (izrezivanje replikona za poboljšano inženjerstvo genoma kroz programiranu rekombinaciju) – da, znanstvenici su svi za akronime – koja uključuje alat za uređivanje gena CRISPR-Cas9. Pomoću CRISPR-a precizno su ekstrahirali velike dijelove genoma bakterije E. coli, izrađene u cijelosti od nule u epruveti, a zatim su zamijenili više od 18 000 pojavljivanja "ekstra" kodona koji kodiraju za serene sa sinonimnim kodonima.

Budući da je trik ciljao samo na redundantni proteinski kod, stanice su mogle obavljati svoje normalne poslove – uključujući proizvodnju sirutke – ali sada s više slobodnih prirodnih kodona. To je kao da "bok" zamijenite s "oj", čime "bok" sada možete dodijeliti potpuno drugačije značenje.

Ekipa je zatim pospremila kuću. Uklonili su stanične prirodne prevoditelje - tRNA - koji inače čitaju sada već nepostojeće kodone bez oštećenja stanica. Uveli su nove sintetičke verzije tRNA za čitanje novih kodona. Stvorene bakterije potom su prirodno uzgojene u epruveti kako bi brže rasle.

Rezultati su bili spektakularni. Superpotentni soj, Syn61.Δ3(ev5), jezapravo X-Men bakterija koja brzo raste i otporna je na koktel različitih virusa koji inače inficiraju bakterije.

“Budući da cijela biologija koristi isti genetski kod, ista 64 kodona i istih 20 aminokiselina , to znači da virusi također koriste isti kod… oni koriste staničnu mašineriju za izgradnju virusnih proteina za reprodukciju virusa,” objasnio je Chin. Sada kada bakterijska stanica više ne može čitati prirodni standardni genetski kod, virus više ne može ući u bakterijski stroj radi reprodukcije, što znači da su projektirane stanice sada otporne na otmicu od strane gotovo svih virusnih napadača."

"Ovo bakterije se mogu pretvoriti u obnovljive i programabilne tvornice koje proizvode širok raspon novih molekula s inovativnim svojstvima, što bi moglo imati koristi za biotehnologiju i medicinu, uključujući proizvodnju novih lijekova, kao što su novi antibiotici”, rekao je Chin.

Unatoč virusnoj infekciji, studija prepisuje ono što je moguće za sintetičku biologiju.

"Ovo će omogućiti brojne primjene", rekli su Jewel i Chatterjee, kao što su potpuno umjetni biopolimeri, to jest materijali kompatibilni s biologijom koja mogao promijeniti cijele discipline, poput medicine ili sučelja mozak-stroj. U ovom slučaju, tim je uspio izjednačiti alanac građevnih blokova umjetnih aminokiselina kako bi se napravila vrsta molekule koja čini temelj nekih lijekova, poput onih za rak ili antibiotika.

No možda je najuzbudljivija perspektiva sposobnost da se dramatično prepiše postojeći život . Slično bakterijama, mi – i sav život u biosferi – funkcioniramo prema istom biološkom kodu. Studija sada pokazuje da je moguće prevladati prepreku od samo 20 aminokiselina koje čine građevne blokove života iskorištavanjem naših prirodnih bioloških procesa.

Dalje, tim želi dodatno reprogramirati naše prirodne biološke kod za kodiranje još više sintetskih građevnih blokova proteina u bakterijskim stanicama. Također će se preseliti u druge stanice – sisavce, na primjer, kako bi vidjeli mogu li komprimirati naš genetski kod.

Ova se priča prvi put pojavila na Singularity Hubu. Prijevod SOCIENTÍFICA.