Este posibil să reprogramezi viața după bunul plac? Pentru biologii sintetici, da. Codul de bază al biologiei este simplu. Literele din ADN, în grupuri de trei, sunt traduse în blocuri de aminoacizi de tip Lego care produc proteine. Proteinele ne construiesc corpul, ne reglează metabolismul și ne permit să funcționăm ca ființe vii. Proiectarea de proteine personalizate înseamnă adesea că poțireproiectarea unor mici aspecte ale vieții - de exemplu, obținerea unei bacterii care să pompeze medicamente vitale, cum ar fi insulina.

Toate formele de viață de pe Pământ respectă această regulă: o combinație de 64 de coduri ADN triplete, sau "codoni", este tradusă în 20 de aminoacizi.

Dar stați puțin. matematica nu se potrivește. De ce nu ar produce 64 de codoni specifici 64 de aminoacizi? Motivul este redundanța. viața a evoluat astfel încât mai mulți codoni produc adesea același aminoacid.

Deci, ce se întâmplă dacă intrăm în acei codoni "în plus" redundanți ai tuturor ființelor vii și introducem în schimb propriul nostru cod?

O echipă de la Universitatea Cambridge a făcut recent exact acest lucru. Într-un tur de forță tehnologic, aceștia au folosit CRISPR pentru a înlocui peste 18.000 de codoni cu aminoacizi sintetici care nu există nicăieri în lumea naturală. Rezultatul este o bacterie care este practic rezistentă la toate infecțiile virale - deoarece nu are "mânerele" normale ale proteinelor pe care levirușii au nevoie pentru a infecta celula.

Dar acesta este doar începutul pentru superputerile ingineriei vieții. Până acum, oamenii de știință au reușit să introducă un singur aminoacid modificat într-un organism viu. Noua lucrare deschide ușa pentru a sparge mai mulți codoni existenți deodată, copiind cel puțin trei aminoacizi sintetici în același timp. Și când sunt trei din 20, este suficient pentru a rescrie în mod fundamentalviața așa cum există pe pământ.

"Ne-am gândit de mult timp că eliberarea unui subset de ... codoni pentru realocare ar putea îmbunătăți robustețea și versatilitatea tehnologiei de expansiune a codurilor genetice", au scris doctorii Delilah Jewel și Abhishek Chatterjee de la Boston College, care nu au fost implicați în studiu. "Această lucrare transformă elegant acest vis în realitate".

Piratarea codului ADN

Codul nostru genetic stă la baza vieții, a moștenirii și a evoluției, dar funcționează numai cu ajutorul proteinelor.

Programul de traducere a genelor, scrise în cele patru litere ale ADN-ului, în adevăratele elemente constitutive ale vieții depinde de o fabrică de decriptare celulară completă.

Gândiți-vă la literele A, T, C și G din ADN ca la un cod secret, scris pe o bucată de hârtie lungă și încrețită, înfășurată pe un pergament. Grupuri de trei "litere", sau codoni, reprezintă miezul - codul de aminoacizi pe care îl produce o celulă. O moleculă mesager (ARNm), un fel de spion, copiază pe furiș mesajul ADN și se întoarce în lumea celulară, transmițând mesajul către fabrica de proteine acelulă - un fel de organizație centrală de informații.

Acolo, fabrica recrutează mai mulți "traducători" pentru a descifra codul genetic în aminoacizi, numiți pe bună dreptate ARNt. Literele sunt grupate în trei, iar fiecare traducător ARNt trage fizic aminoacidul asociat în fabrica de proteine, unul câte unul, astfel încât fabrica face în cele din urmă un lanț care se înfășoară într-o proteină 3D.

Dar, ca orice cod robust, natura a programat redundanța în procesul de traducere ADN-proteină. De exemplu, codurile ADN TCG, TCA, AGC și AGT codifică toate un singur aminoacid, serina. Deși funcționează în biologie, autorii s-au întrebat: ce s-ar întâmpla dacă am intra în acest cod, l-am deturna și am redirecționa unele dintre direcțiile vieții folosind aminoacizisintetice?

Deturnarea codului natural

Noul studiu consideră că redundanța din natură este o modalitate de a introduce noi capacități în celule.

Pentru noi, una dintre întrebări a fost "ați putea reduce numărul de codoni care sunt utilizați pentru a codifica un anumit aminoacid și astfel să creați codoni care sunt liberi să creeze alți monomeri [aminoacizi]?", a întrebat autorul principal, Dr. Jason Chin.

De exemplu, dacă TCG este pentru serenitate, de ce să nu le eliberăm pe celelalte - TCA, AGC și AGT - pentru altceva?

Este o idee grozavă în teorie, dar o sarcină cu adevărat descurajantă în practică. Înseamnă că echipa trebuie să intre într-o celulă și să înlocuiască fiecare codon pe care dorește să-l reprogrameze. În urmă cu câțiva ani, același grup a arătat că acest lucru este posibil în E. Coli, insecta preferată a laboratoarelor și a farmaciștilor. La acea vreme, echipa a făcut un salt astronomic în biologia sintetică prin sintetizareaÎn acest proces, ei s-au jucat și cu genomul natural, simplificându-l prin înlocuirea unor codoni de aminoacizi cu sinonimele lor - de exemplu, eliminând TCG și înlocuindu-i cu AGC. Chiar și cu aceste modificări, bacteriile au reușit să se dezvolte și să se reproducă cu ușurință.

Este ca și cum ai lua o carte foarte lungă și ți-ai da seama ce cuvinte să înlocuiești cu sinonime fără a schimba sensul propozițiilor - astfel încât modificările să nu dăuneze fizic supraviețuirii bacteriei. Un truc, de exemplu, a fost să elimini o proteină numită "factor de eliberare 1", care facilitează reprogramarea codonului UAG cu un nou aminoacid. Lucrările anterioare au arătat că acest lucru poateatribuirea de noi blocuri de construcție codonilor naturali care sunt cu adevărat "goi", adică nu codifică nimic în mod natural.

O creatură sintetică

Echipa lui Chin a mers mult mai departe. Au pregătit o metodă numită REXER (replicon excision for enhanced genome engineering through programmed recombination - excizia repliconului pentru o inginerie genomică îmbunătățită prin recombinare programată) - da, oamenii de știință sunt adepții backcronimelor - care include instrumentul de editare a genelor CRISPR-Cas9. Cu ajutorul CRISPR, au extras cu precizie părți mari din genomul bacteriei E. coli, făcute în întregime de la zeroîn interiorul unei eprubete și apoi a înlocuit peste 18.000 de apariții de codoni "în plus" care codifică serina cu codoni sinonimi.

Deoarece trucul a vizat doar codul redundant al proteinei, celulele și-au putut continua activitatea normală - inclusiv producția de ser - dar acum cu mai mulți codoni naturali liberi. Este ca și cum ai înlocui "hi" cu "oy", făcând ca "hi" să fie acum liber pentru a i se atribui un înțeles complet diferit.

În continuare, echipa a făcut curățenie. Au eliminat traducătorii naturali ai celulelor - ARNt - care, în mod normal, citesc codonii eliminați fără a afecta celulele. Au introdus noi versiuni sintetice ale ARNt pentru a citi noii codoni. Bacteriile modificate au fost apoi cultivate în mod natural într-o eprubetă pentru a crește mai repede.

Rezultatele au fost spectaculoase: tulpina super-potentă, Syn61.Δ3(ev5), este practic o bacterie X-Men care crește rapid și este rezistentă la un cocktail de viruși diferiți care infectează în mod normal bacteriile.

"Din moment ce toată biologia folosește același cod genetic, aceiași 64 de codoni și aceiași 20 de aminoacizi, asta înseamnă că și virușii folosesc același cod... ei folosesc mașinăria celulei pentru a construi proteinele virale pentru a reproduce virusul", a explicat Chin. Acum că celula bacteriană nu mai poate citi codul genetic standard al naturii, virusul nu mai poate intra în mașinăriabacteriene să se reproducă, ceea ce înseamnă că celulele modificate sunt acum rezistente la a fi deturnate de aproape orice invadator viral."

"Aceste bacterii pot fi transformate în fabrici regenerabile și programabile care produc o gamă largă de noi molecule cu proprietăți noi, ceea ce ar putea avea beneficii pentru biotehnologie și medicină, inclusiv pentru fabricarea de noi medicamente, cum ar fi noi antibiotice", a declarat Chin.

În ciuda infecției virale, studiul rescrie ceea ce este posibil pentru biologia sintetică.

"Acest lucru va permite nenumărate aplicații", au spus Jewel și Chatterjee, cum ar fi biopolimeri complet artificiali, adică materiale compatibile din punct de vedere biologic care ar putea schimba întregi discipline, cum ar fi medicina sau interfețele creier-mașină. În acest caz, echipa a reușit să lege un lanț de blocuri de aminoacizi artificiali pentru a realiza un tip de moleculă care formeazăbaza unor medicamente, cum ar fi cele pentru cancer sau antibiotice.

Dar poate că cea mai interesantă perspectivă este capacitatea de a rescrie în mod dramatic viața existentă. La fel ca bacteriile, noi - și toate formele de viață din biosferă - funcționăm cu același cod biologic. Studiul arată acum că este posibil să depășim obstacolul reprezentat de cei doar 20 de aminoacizi care alcătuiesc elementele de bază ale vieții prin exploatarea proceselor noastre biologice naturale.

În continuare, echipa încearcă să reprogrameze codul nostru biologic natural pentru a codifica și mai multe blocuri de proteine sintetice în celule bacteriene. De asemenea, vor trece la alte celule - mamifere, de exemplu, pentru a vedea dacă este posibil să ne comprimăm codul genetic.

Acest articol a apărut mai întâi pe Singularity Hub, tradus de SOCIENTIFIC.