Με επικεφαλής επιστήμονες από το Πανεπιστήμιο του Nottingham και το Imperial College του Λονδίνου, μια ομάδα βρετανών ερευνητών πέτυχε, για πρώτη φορά, να συνδυάσει 7,5 συνθετικά, εργαστηριακά κατασκευασμένα χρωμοσώματα σε ένα μόνο κύτταρο ζύμης, το οποίο παρήγαγε ένα στέλεχος με περισσότερα από 50 % του συνθετικού DNA του, που δεν το εμπόδισε να αναπτυχθεί και να αναπαραχθεί όπως κάθε άλλο κύτταρο άγριας ζύμης.
Το επίτευγμα, το οποίο αντιπροσωπεύει ένα σημαντικό βήμα προς τα εμπρός προς τη δημιουργία τεχνητής ζωής, είναι μέρος του Synthetic Yeast Genome Project (Sc2.0), του μεγαλύτερου έργου που έχει πραγματοποιηθεί ποτέ στον κόσμο στον τομέα της συνθετικής βιολογίας και του οποίου ο στόχος είναι: ακριβώς, , ανακατασκευάστε τεχνητά το πλήρες γονιδίωμα αυτού του οργανισμού. Το περιοδικό «Cell Genomics» αφιερώνει μια συλλογή εννέα άρθρων στο θέμα αυτή την εβδομάδα.
Η συνεργασία, Sc2.0, είναι ένα 15ετές έργο στο οποίο συμμετέχουν ομάδες από πολλές χώρες (Ηνωμένο Βασίλειο, ΗΠΑ, Κίνα, Σιγκαπούρη, Ηνωμένο Βασίλειο, Γαλλία και Αυστραλία) που εργάζονται από κοινού για να δημιουργήσουν συνθετικές εκδόσεις όλων των χρωμοσωμάτων ζύμης. Το έργο, το μεγαλύτερο του είδους του μέχρι σήμερα, αναμένεται να ολοκληρωθεί οριστικά τον επόμενο χρόνο.
«Το κίνητρό μας – εξηγεί ο συν-συγγραφέας και συνθετικός βιολόγος Patrick Yizhi Cai, του Πανεπιστημίου του Μάντσεστερ και επικεφαλής συγγραφέας δύο άλλων άρθρων της συλλογής – είναι να κατανοήσουμε τις πρώτες αρχές των θεμελίων του γονιδιώματος χτίζοντας συνθετικά γονιδιώματα. «Τώρα η ομάδα έχει ξαναγράψει μέρος του λειτουργικού συστήματος ζύμης, ανοίγοντας μια νέα εποχή βιολογικής μηχανικής, περνώντας από την τροποποίηση μιας χούφτας γονιδίων στο σχεδιασμό και την κατασκευή ολόκληρων γονιδιωμάτων από την αρχή».
Όταν η συνεργασία Sc2.0 επιτύχει επιτέλους τον στόχο της, θα έχει καταφέρει, για πρώτη φορά, να κατασκευάσει πλήρως το συνθετικό γονιδίωμα ενός ευκαρυωτικού, ενός ζωντανού οργανισμού με πυρήνα, όπως κύτταρα ζώων, φυτών και μυκήτων. Οι επιστήμονες επέλεξαν τη μαγιά για το έργο επειδή έχει ένα σχετικά συμπαγές γονιδίωμα και την έμφυτη ικανότητα να συνδυάζει το DNA, επιτρέποντας στους ερευνητές να κατασκευάσουν συνθετικά χρωμοσώματα και να τα εισάγουν μέσα στα κύτταρα ζύμης.
Οι άνθρωποι «εξημερώνουν» τη μαγιά πριν από χιλιάδες χρόνια για να ψήνουν ψωμί και να κάνουν μπύρα. Και πιο πρόσφατα, η χρήση του για χημική παραγωγή και ως πρότυπο οργανισμού για τη λειτουργία των κυττάρων μας. Αυτή η μακρά σχέση σημαίνει ότι γνωρίζουμε περισσότερα για τη γενετική της ζύμης από οποιονδήποτε άλλο οργανισμό. Ιδανικός υποψήφιος, λοιπόν, για τη δουλειά «Sc2.0».
Σε ένα από τα εννέα άρθρα που δημοσίευσε το «Cell Genomics», οι ερευνητές εξηγούν ότι κατάφεραν να συνθέσουν ακόμη και ένα «νεοχρωμόσωμα» που δεν υπάρχει στη φύση και που δείχνει ότι τα γονίδια μπορούν να μετακινηθούν δραστικά χωρίς να αλλοιωθεί σημαντικά η λειτουργία τους.
Υπό τις οδηγίες του Ben Blount του Πανεπιστημίου του Nottingham και του Tom Ellis του Imperial College του Λονδίνου, οι ερευνητές πέρασαν 10 χρόνια για να χτίσουν αυτήν την πλήρη, συνθετική εκδοχή του χρωμοσώματος XI της ζύμης. Μια γενετική αλληλουχία που αποτελείται από περίπου 600.000 ζεύγη βάσεων, τα οποία είναι τα «γράμματα» που συνθέτουν τον κώδικα του DNA. Στη συνέχεια, οι ερευνητές αντικατέστησαν ένα από τα φυσικά χρωμοσώματα ενός κυττάρου ζυμομύκητα με αυτό που είχαν παραγάγει και, μετά από μια σχολαστική διαδικασία καθαρισμού, κατάφεραν να κάνουν το κύτταρο να αρχίσει να αναπτύσσεται και να αναπαράγεται με το ίδιο επίπεδο ικανότητας όπως ένα φυσικό κύτταρο.
Πολυάριθμες εφαρμογές
Αλλά αυτό το συνθετικό χρωμόσωμα όχι μόνο θα βοηθήσει τους επιστήμονες να καταλάβουν πώς λειτουργούν τα γονιδιώματα, αλλά θα έχει επίσης πολλές εφαρμογές. Επομένως, αντί να είναι ένα τέλειο αντίγραφο του φυσικού χρωμοσώματος, το συνθετικό χρωμόσωμα Sc2.0 σχεδιάστηκε για να περιλαμβάνει μια ολόκληρη σειρά από νέα χαρακτηριστικά που δίνουν στα κύτταρα εντελώς νέες δυνατότητες που δεν υπάρχουν στη φύση.
«Αποφασίσαμε ότι ήταν σημαντικό να παράγουμε κάτι που είχε τροποποιηθεί σε μεγάλο βαθμό από το σχέδιο της φύσης», λέει ο Jef Boeke, συν-συγγραφέας και επικεφαλής του Sc2.0. Στόχος μας ήταν να δημιουργήσουμε μια μαγιά που θα μπορούσε να μας διδάξει νέα βιολογία».
Ένα από αυτά τα νέα χαρακτηριστικά, για παράδειγμα, επιτρέπει στους ερευνητές να αναγκάσουν τα κύτταρα να αναμειγνύουν το γενετικό τους περιεχόμενο, δημιουργώντας εκατομμύρια διαφορετικές εκδόσεις του ίδιου κυττάρου, αλλά με διαφορετικά χαρακτηριστικά. Με αυτόν τον τρόπο είναι στη συνέχεια δυνατή η επιλογή ατόμων με βελτιωμένες ιδιότητες για ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών στην ιατρική, τη βιοενέργεια και τη βιοτεχνολογία. Η διαδικασία είναι, στην πραγματικότητα, μια μορφή ενισχυμένης εξέλιξης.
Στην εργασία τους, οι ερευνητές εξηγούν επίσης ότι το ολοκαίνουργιο συνθετικό τους χρωμόσωμα μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί ως νέο σύστημα για τη μελέτη του λεγόμενου «εξωχρωμοσωμικού κυκλικού DNA» (eccDNA), κύκλους DNA που έχουν «βγεί» από το γονιδίωμα. τα οποία είναι ελεύθερα επιπλέοντα και τα οποία αναγνωρίζονται πάντα ως παράγοντας γήρανσης και ως αιτία κακοήθους ανάπτυξης και αντοχής στα φάρμακα χημειοθεραπείας σε πολλούς όγκους, συμπεριλαμβανομένων αρκετών τύπων όγκων εγκεφάλου.
Σύμφωνα με τον Blount, «τα συνθετικά χρωμοσώματα αντιπροσωπεύουν από μόνα τους τεράστιες τεχνικές ανακαλύψεις, αλλά θα ανοίξουν επίσης μια τεράστια γκάμα νέων δυνατοτήτων για το πώς μελετάμε και εφαρμόζουμε τη βιολογία. Αυτό μπορεί να κυμαίνεται από τη δημιουργία νέων μικροβιακών στελεχών για πιο πράσινη βιοπαραγωγή μέχρι να μας βοηθήσει να κατανοήσουμε και να καταπολεμήσουμε τις ασθένειες. Το έργο γονιδιώματος συνθετικής ζύμης είναι ένα φανταστικό παράδειγμα επιστήμης μεγάλης κλίμακας που ολοκληρώθηκε από μια μεγάλη ομάδα ερευνητών από όλο τον κόσμο. «Ήταν μεγάλη εμπειρία να συμμετέχω σε μια τόσο τεράστια προσπάθεια, όπου όλοι οι εμπλεκόμενοι εργάστηκαν για τον ίδιο κοινό στόχο».
Ο Tom Ellis, από την πλευρά του, δηλώνει ότι «δημιουργώντας ένα επανασχεδιασμένο τελομερές χρωμοσώματος ανά τελομερές και αποδεικνύοντας ότι μπορεί να αντικαταστήσει τέλεια ένα φυσικό χρωμόσωμα, η δουλειά της ομάδας μας θέτει τα θεμέλια για το σχεδιασμό και την παραγωγή συνθετικών χρωμοσωμάτων, ακόμη και γονιδιωμάτων για πολύπλοκους οργανισμούς όπως φυτά και ζώα.”
Ένα πρώτο βήμα προς τη δημιουργία, μέσα σε λίγα χρόνια, των πρώτων μορφών τεχνητής ζωής.