Szintetikus élet: a Scratchból készül

Miért igényel természetellenes funkcióval rendelkező szervezeteket a biológia, a fehérjetervezők és a lélekkeresés jobb megértése.

Olajcseppek a vízben, a lipiddel zárt „protocellák” létrehozásának általános megközelítése. Fénykép: A_Different_Perspective Pixabay. Lásd: https://www.nature.com/articles/ncomms6305

A szintetikus biológia egy tudományos tudományág, amelynek célja az élő szervezetek ésszerű tervezése, tipikusan géntechnológiai megközelítésekkel (1). 1961-ben Francois Jacob és Jacques Monod először javasolta, hogy a genetikai szabályozó áramkörök irányítsák a sejtek viselkedését (2). 2000-re a tudósok sikeresen megtervezték a természetellenes genetikai köröket, beültették őket mikroorganizmusokba, és az áramkörök elvégezték a meghatározott funkciójukat. A korai példák között szerepel a genetikai váltókapcsoló (3), ahol két promoter mozgatja a kölcsönösen gátló represszorok expresszióját, ezáltal a sejt „váltódik” egyensúlyi állapotok között, és a repressilator (4), amely ugyanabban az évben alakult ki.

A genetikai áramköröket az elektromos áramkörök ihlette, és hasonló elvek alapján építik fel, Pixabay geralt.

Manapság a szintetikus biológia tartós célja a mérnöki módszerek alkalmazása az organizmusok ésszerű módosítására. A legtöbb szintetikus biológus a biológiai mérnököket hierarchiának írja le, amelyben az alkatrészeket (géneket, DNS-t) eszközök felépítésére használják (sok gén együtt), amelyek viszont felhasználhatók rendszerek (sok eszköz sorozatának) felépítésére (1). A szintetikus biológia valódi mérnöki tudományággá történő átalakításának kihívása az, hogy az alkatrészeket, amelyek a magasabb rendű építmények alapvető építőelemei, alapvetően korlátozza jellemzésük szigorú képessége. Ez igaz a helyzet minden bevezetett mérnöki tudományágban. Például az elektrotechnikában az alapvető alkotóelemeket (tranzisztorok, ellenállások, vezetékek stb.) Annyira jellemezték, hogy a gyerekek használhassák őket, és a kapott áramkörök a várt módon viselkedjenek. Miután az összes „rész” szabványosításra került, lehetséges, hogy a szintetikus biológusok egyedi DNS építőelemeket használnak az alulról felfelé építkező teljesen szintetikus életformák előállításához.

Arisztotelész mellszobra. Fénykép: morhamedufmg Pixabay.

A szintetikus élet gondolata évezredek óta létezik. Arisztotelész a Kr. E. IV. Században az spontán generációról írta „Az állatok generációja” című könyvében, amely szerint a lebomló test teljesen új életformákat hozott létre. A 20. és 21. századra komoly etikai aggodalmak merültek fel a mesterséges életformákkal kapcsolatban. 2005-ben a T7 bakteriofág vírust sikeresen újra felújították azzal, hogy 11 515 bázispárt DNS-t kicseréltek egy szintetikus formára és a megtartott vírusrészecskék életképességére (5). Két évvel később, J. Craig Venternek sikerült átültetnie a kromoszómákat a mikroorganizmusok között (6), és a következő évben kiadott egy teljes mesterséges genomot, amely az M. genitalium alapján készült (7). 2010-ben az alkotóelemeket egymáshoz illesztették és sikeresen készítettünk egy „szintetikus” genomot tartalmazó M. genitaliumot (8).

A Synthetic Yeast 2.0 nevű, folyamatban lévő nemzetközi projekt megkísérli az első eukarióta organizmus felépítését, amely kémiai úton szintetizált genomot tartalmaz (9). A szintetikus genomszerkesztés eddigi ambiciózusabb példája, hogy minden tagintézet felépíti és megjavítja a 16 élesztő kromoszóma egyikét. Az elkövetkező néhány évben remélhetőleg egy teljesen „szintetikus” élesztőt fognak előállítani, amely mindezen kémiai úton szintetizált kromoszómákat tartalmazza.

Tavaly a The Scripps Kutatóintézet Romesberg csoportja közzétette egy „félszintetikus életforma” létrehozását, amely első bizonyítékot szolgáltatott a genomjában lévő szintetikus nukleotidokkal rendelkező mikroorganizmus (az úgynevezett X és Y) számára, amelynek kódja: sikeresen átírva és transzlálva, ezáltal az élő sejtek számára elérhető aminosavak száma 20-ról 172-re növekszik (10). Romesberg óvatosan közvetítette eredményeit a média felé, kijelentve: „Nem nevezem ezt új életformának - de ez a legközelebbi dolog, amit valaha valaha készített” (11).

A szintetikus életnek valóban nevezhető építéshez ma a legközelebbi erőfeszítés a Build-a-Cell konzorcium, amelynek célja, hogy szintetikus sejteket az alapokból építsen moduláris összetevők segítségével. Elméletileg egy alapvető anyagcseréhez, a sejtosztódáshoz, a jelátvitelhez és a többi feladathoz szükséges összes gént tartalmazó sejt életképesnek tekinthető, és teljes egészében jól jellemzett építőelemekből építhető fel.

De mi lenne a teljesen új funkcióval rendelkező organizmusok kifejlesztésével - amelyek a természetben sehol nem találhatók meg? Hogyan lehet a szintetikus biológusok átlépi a meglévő komponensek huzalozását (amit csak részben sikerült elérni), és átjuthatnak az ismeretlen birodalomba? Számos kihívás akadályozza ezt az átmenetet, ám ez végül megtörténik. A mesterséges életforma, amely csak egy létező organizmuson lazán alapul, csak akkor építhető fel, ha a fejlesztője teljes mértékben megérti az élet működését, és meg tudja jósolni, hogy az egyes alkotóelemek hogyan viselkednek a sejtben. Mivel a fehérjék az egyik legfontosabb eszköz, amellyel a sejt gyakorolja funkcióit, indokolt, hogy a fehérjefunkciók jobb megértése és a teljesen új funkciókkal rendelkező fehérjék tervezésének képessége elősegítheti ezt az átmenetet.

Három fő „kihívás” áll az új funkciókkal rendelkező szintetikus életmód kialakításában. Noha az itt bemutatott példák semmiképpen sem kimerítőek, a tudományos, technológiai és etikai példákat fedik le.

Tudományos kihívás: ismeretlen fehérjefunkciók

A szintetikus biológia olyan tudományág, amely a genomika, a molekuláris biológia és a számítás párhuzamos fejlődésén alapul. Az organizmusok kiszámítható módon történő megtervezéséhez meg kell érteni bonyolultságaik, különbségeik és - ami fontos - az egyes komponensek funkcióinak szilárd megragadását, mielőtt az alkotóelemeket bármikor átrendezhetik és átültethetik. Ez a tudományos kihívás.

Ahhoz, hogy meggyőző példát találjanak a tudományos ismeretek jelenlegi, hiányos hiányosságaira, amelyeket újból meg kell szüntetni, mielőtt újra létre kellene hozni az életet, a továbbiakban nem kell egy minimális genom felépítésére irányuló, 2016-ban befejezett erőfeszítésekre törekedni, amelyben a Mycoplasma mycoides genomja volt. csupán 473 génné redukálódott (12). Talán meglepő, hogy ezt az erőfeszítést 2012-ben egy, a Mycoplasma genitalium egyszerű organizmuson alapuló teljes sejt modell létrehozása előzte meg a Markus Covert Stanford-i csoportjának (13). Ezen organizmusok egyszerűsége ellenére (a natív nemi szervnek csak 525 génje van) és az intenzív tudományos erőfeszítéseknek a megértésére, az M. mycoides-ben 149 esszenciális gén ismeretlen funkcióval rendelkezik (12).

Alapvető korlátozás a szintetikus életformák kialakításában az, hogy a biológiai kutatások történelmileg a fő módszere a gének független elkülönítése vagy knockítása volt, majd azok funkciójának azonosítása a sejtben. Ez a megközelítés hasznos, de hibás lehet az összes összetett funkció vizsgálatában, amelyben részt vesz, mivel „… egyetlen komponens (például egy gén) ritkán specifikusan ellenőrzi az adott biológiai funkciót vagy betegséget, és fordítva, bármely adott összetevő befolyásolhatja sok különböző funkció ”(1). Annak megértése érdekében, hogy a sejtkörnyezetben a komponensek hogyan látják el funkciójukat, a kanonikus biokémiai megközelítések időigényesek és fárasztóak, ám ezek szükségszerűen megmaradhatnak. Más rendszerszintű megközelítéseket használtak azonban a függvény előrejelzésére a sorrendből.

Az Antoine Danchin és Gang Fang Venter életképes, minimális sejt közzétételét követő hónapokban evolúciós elemzéssel előre jelezte az ismeretlen génfunkciókat, és az irodalomban átgondolta azokat a nélkülözhetetlen géneket, amelyek alapvető funkciókat hajtanak végre rokon baktériumkládokban, amelyeket nem említettek. mint a minimális genom mycoidek egyik ismert génje (14). Ezeknek az evolúciós kapcsolatoknak a felhasználásával Danchin és Fang a 149 ismeretlen gén 32 közül azonosítót javasolt (14). De a minimális sejt (és elődje) nem az egyetlen viszonylag egyszerű organizmus, amelyet széles körben vizsgáltak, és az evolúciós kapcsolatok nem csak a fehérje működésének tanulmányozására szolgálnak. Az élesztő kutatók már régóta új módszereket keresnek az ismeretlen gének működésének meghatározására. 2007-ben az élesztőben több mint 1000 nem jellemzett gén volt (15).

Egy dolog a homológia vagy az evolúció elemzése nagy adatkészleteken, más dolog pedig a szóban forgó fehérje izolálása, enzimatikus vizsgálatok elvégzése vagy a gén in vivo törlése a hatásaik tanulmányozása érdekében. Az esszenciális géneknél a deléció nehezebb eredményeket elérni, de vannak még olyan lehetőségek a fehérjefunkciók tanulmányozására, mint például a fluorofor követés, immunprecipitáció, immunoblot és farmakológiai inhibitorok. Bár időigényes és fárasztó, talán a bevált eszközökön alapuló biokémiai megközelítés továbbra is a legjobb módszer a funkció meghatározására.

Miután meghatározták az egyes összetevők funkcióját, a következő lépés rendszerszintű megközelítések használata annak megértése érdekében, hogy hogyan működnek a nagyobb celluláris kontextusban. Ez a rendszerbiológusok feladata, akik „megpróbálják megérteni, hogy a biológiai rendszer minden egyes alkotóeleme miként működik időben és térben, hogy meghatározzák a rendszer működését. Lehetővé teszi a betekintést a molekuláris biológiából és a genomkutatásból származó, a fiziológia megértésével integrált, nagy mennyiségű adatból a sejtek, szervek és az egész organizmusok komplex funkciójának modellezéséhez ”(16). Manapság a protein funkció korlátozott megértése súlyosan akadályozza a szintetikus élet megépítését.

Technológiai kihívás: a függvény előrejelzése a szekvenciából

A jövőben hasznos lenne olyan sejteket létrehozni, amelyek testreszabott célokat hajtanak végre, még akkor is, ha ez a cél enzimes funkciót vagy viselkedést igényel, amely a természetben sehol máshol nem található meg. A fehérjék szerkezetének és funkciójának a DNS-szekvenciákból való előrejelzésének előrehaladásával előrehaladtával drasztikusan kibővül azoknak a részeknek a „modulárissága”, amelyek egy nap felhasználhatók lenne a biológiai organizmusok alulról felfelé építkezéséhez. Míg egyes kutatócsoportok teljesen új funkciókkal rendelkező fehérjék létrehozására törekszenek, ideértve a 2018. évi Nobel-díjas Frances Arnold-csoportot is, feltétlenül szükség van a fehérjefunkciók jobb megértésére és a fehérjeszerkezet megbízható kialakítására szolgáló eszközökre. A teljesen „természetellenes” organizmusok létrehozásával kapcsolatos fő technológiai kihívás a következő: milyen módszerekkel lehet új funkciókkal rendelkező fehérjéket előállítani, és milyen módon korlátozzuk?

A „fehérjehajlás problémájával” számos csoport foglalkozott, talán egyik sem olyan híres, mint David Baker a washingtoni egyetemen. A Baker-csoport (részben) figyelemre méltó a ROSETTA és a ROSETTA @ Home, a fehérjeszerkezet-előrejelző program és az otthoni felhasználásra szánt verzió fejlesztésében, amelyben az emberek személyi számítógépükön dolgozhatnak, hogy megoldják a különféle fehérjék legalacsonyabb energiaszerkezetét. (17). A Baker létrehozott egy Arzeda nevű spin-out társaságot is, amely strukturális előrejelzési platformokat használ olyan enzimek létrehozására, amelyek új funkcióval bírnak, és felhasználhatók környezeti, diagnosztikai és terápiás alkalmazásokhoz (20).

A Baker csoport és mások által kifejlesztett számítógépes programokat egy teljesen egyedülálló, a természetben nem található protein-redő tervezéséhez (18), valamint a fehérje-fehérje interfészek tervezéséhez használták a terápiás tervezéshez (19). A teljesen új biológiai szerkezetek kialakításában azonban az egyik jelenlegi korlátozás a számítási teljesítmény. Az Ab initio szimulációk általában sok konformációs protein állapotot tesztelnek és tesztelnek, hogy azonosítsák a legkevesebb szabad energiájú struktúrákat (20, 21). 2009-ben a legkorszerűbb szuperszámítógép egy milliszekundumig képes 50-maradék fehérjét, atomonként, szimulálni. Ezt a képességet azóta a személyi számítógépek túllépték (22, 23).

Sajnos a fehérjefunkció becslése egy DNS-szekvenciából sokkal összetettebb, mint a fehérjeszerkezet becslése. A fehérjefunkciók előrejelzési képessége lehetővé tenné a teljesen új tevékenységekkel rendelkező fehérjék gyors, ésszerű tervezését. Frances Arnold, a kaliforniai Technológiai Intézet képviselőcsoportja ezt a problémát a „legerősebb biológiai tervezési folyamat, az evolúció segítségével oldja meg, hogy optimalizálja a meglévő enzimeket és újokat hozzon létre, ezáltal megkerülve azt a mély tudatlanságunkat, hogy a szekvencia kódolása hogyan működik.” Az evolúció olyan nagyszerű eszköz új fehérjék kifejlesztésére, részben azért, mert a hasznos új funkció megvalósításához szükséges mutációk gyakran nagyon intuitívak. Noha a szubsztrátspecifitásért vagy szelektivitásért felelős legtöbb aminosav az aktív helyen található, az aktív helytől távol eső aminosavak változása drasztikusan fokozott katalitikus aktivitást eredményezhet (24).

A kiszámítást, a tervezést és az evolúciót magában foglaló megközelítések csúcspontja valószínűleg sikeres lesz egyre komplexebb fehérjék létrehozása révén.

Társadalmi és etikai kihívás

A szintetikus biológia etikáját hevesen megkérdőjelezték a genetikai áramlatokról szóló, a 2000-es évek elején közzétett első jelentések óta, és egy kémiai úton szintetizált genomról szóló 2010-es jelentés arra késztette az Obama-kormányt, hogy hozzon létre bioetikai bizottságot a szintetikus biológia új képességeinek kezelésére ( 25). E kezdeményezés során az etikusok azt állították, hogy ha a tudósoknak sikerül létrehozniuk a szervezetet, maga az élet elveszítheti különleges státusát (26). Más szavakkal: az emberek az életre csak úgy tekintnek, mint egy bonyolult biokémiai reakciók sorozatára, amelyek megismételhetők egy laboratóriumban, és egy redukcionista, szintetikus szervezet létrehozása aláásná ezt a különleges státust.

A szintetikus élet létrehozása elleni redukcionista erkölcsi érvek szintén kapcsolódnak a módszertani redukcionizmushoz, egy olyan stratégiához, amelyet a mérnöki tudományágak kihasználtak az összetevők szisztematikus csökkentésére, hogy megértsék az egész felépítését. Ez vonatkozik a szintetikus biológia szabványosítására, amelyben az egyes alkotóelemeket külön-külön jellemzik, és mégis, a szisztematikus biológiai standardizálás során etikailag nem volt hátrány. Ezek ugyanakkor a redukcionista elvek, amelyek lehetővé teszik a szintetikus életforma létrehozását. Végül, nincs olyan bizonyíték, amely azt sugallná, hogy a cikkben korábban említett, a szintetikus élet és a szintetikus genomokkal rendelkező szervezetek építésére tett korábbi erőfeszítések bármilyen módon megsértették azt a különleges státust, amelyet az emberek az élő szervezeteknek tulajdonítanak a média figyelme ellenére.

Ennek ellenére kulcsfontosságú etikai szempontokat kell figyelembe venni, mielőtt a szintetikus életmódot kialakítanák. A Weitze és Pühler által előterjesztett iránymutatások különösen áttekinthetőek (27). Először is: a tudósok rendelkeznek-e minden releváns tudással és a kérdéses technológia átfogó megértésével? Az a tény, hogy a tudósok felépíthetnek valamit, nem azt jelenti, hogy kellene. Ennek megfelelően a tudósoknak törekedniük kell a szervezetben játszott biológiai alapelvek (ha lehetséges!) Teljes megértésére annak érdekében, hogy megelőzzék vagy enyhítsék a lehetséges problémákat.

Az új szintetikus organizmus lehetséges káros hatásait is figyelembe kell venni. Az emberek gyakran váratlanul használják a technológiát, ezért fontos, hogy a szintetikus organizmus lehetséges felhasználásait proaktív módon megvitassák. A kormányzati rendeleteket és etikai megfontolásokat jóval a tényleges építés megkezdése előtt figyelembe kell venni.

A felelősségteljes kutatás és innováció keretén belül, amelyet az EPSRC (Mérnöki és Fizikai Tudományos Kutatási Tanács, az Egyesült Királyság mérnöki és fizikai tudományok fő finanszírozó ügynöksége) fejlesztett ki, szintetikus biológiai kutatásokra szólít fel az AREA segítségével, amely az Előrelátás, Tükrözés jelentése. , Engage and Act (28). A kutatóknak teljes mértékben fel kell tárniuk kutatási projektjük hatásait, mielőtt elkezdenék azt, gondolkodniuk kellene a kutatás végrehajtásának céljairól, kapcsolatba lépni a saját tudományágukon kívüli emberekkel, ideértve a bioetikusokat is, majd cselekedni ezekre a folyamatokra és alakítani kutatásukat. a projekt ennek megfelelően.

Az elkövetkező évtizedekben teljesen egyedi, természetellenes funkciókkal rendelkező sejteket tervezünk és építünk. A ma tett előrelépések lépésről lépésre mutatnak e nagyobb cél felé, és megindíthatják a szintetikus biológia új korszakát, amikor az organizmusokat ad hoc jelleggel hozzák a világ legsürgetőbb problémáinak kezelésére.

Irodalom

1. „Szintetikus biológia: alkalmazási kör, alkalmazások és következmények.” A Királyi Műszaki Akadémia. 2009. május. Belépés 2017. december 2-án.

2. Jacob F és Monod J. „Genetikai szabályozó mechanizmusok a fehérjék szintézisében.” Journal of Molecular Biology 3, 318–356 (1961).

3. Gardner TS, Cantor CR és Collins JJ. „Genetikai váltókapcsoló építése Escherichia coliban.” Nature 403, 339–342 (2000).

4. Elowitz MB és Leibler S. “A transzkripciós szabályozók szintetikus oszcillációs hálózata.” Nature 403, 335–8 (2000).

5. Chan LY, Kosuri S és Endy D. „Refaktoráló bakteriofág T7.” Mol Syst Biol 1 (2005).

6. Lartigue C, Glass JI, Alperovich N, et al. „Genomtranszplantáció baktériumokban: az egyik faj átváltása a másikra.” Science 317, 632–8 (2007).

7. Gibson Főigazgatóság, Benders GA, Andrews-Pfannkoch C, et al. „A Mycoplasma genitalium genom teljes kémiai szintézise, ​​összeszerelése és klónozása.” Science 319, 1215–20 (2008).

8. Gibson DG, Glass JI, Lartigue C, et al. „Kémiai úton szintetizált genom által szabályozott baktériumsejt létrehozása.” Science 329, 52–6 (2010).

9. Annaluru N, Muller H, Mitchel LA és mtsai. „A funkcionális tervező eukarióta kromoszómájának teljes szintézise.” Science 344, 55–8 (2014).

10. Zhang Y, Ptacin JL, Fischer EC és munkatársai. „Félszintetikus organizmus, amely tárolja és visszanyeri a megnövekedett genetikai információkat.” Nature 551, 644–47 (2017).

11. „A tudósok létrehozzák az első félszintetikus szervezetet, amely természetellenes információkat tárol és gyűjt.” A Scripps Kutatóintézet sajtóközleménye. 2017. november 29-én. Belépés 2017. december 2-án.

12. Hutchison CA, Chuang R, Noskov VN és munkatársai. „Minimális baktériumgenom tervezése és szintézise.” Science 351, 1414 (2016).

13. Karr JR, Sanghvi JC, Macklin DN, et al. „A teljes sejtes számítási modell előrejelzi a fenotípust a genotípusból.” Cell 150, 389–401 (2012).

14. Danchin A és Fang G. „Ismeretlen ismeretlen: lényeges gének a funkció elérése érdekében.” Microb Biotechnol 9, 530–40 (2016).

15. Peña-Castillo L és Hughes TR. „Miért vannak még több mint 1000 jellemzõ élesztõgén?” Genetics 176, 7–14 (2007).

16. „Rendszerbiológia: látás a mérnöki és orvostudományról.” Orvostudományi Akadémia és a Királyi Műszaki Akadémia (2007).

17. Kaufmann KW, Lemmon GH, DeLuca SL, Sheehan JH és Meiler J. “Gyakorlatilag hasznos: Mit tehet neked a ROSETTA fehérjemodellező csomag?” Biochemistry 49, 2987–98 (2010).

18. Kuhlman B, Dantas G, Ireton GC, Varani G, Stoddard BL és Baker D. „Új, atomszintű pontosságú, globális fehérjekészítés tervezése.” Science 302, 1364–68 (2003).

19. Ashworth J., Havranek JJ, Duarte CM, et al. „Az endonukleáz DNS-kötődés és hasítási specifitás számszerűsített újratervezése”. Nature 441, 656–59 (2006).

20. Jiang L, Althoff EA, Clemente FR és mtsai. „A retro-aldol enzimek de novo számítási tervezése.” Science 319, 1387–91 (2008).

21. Simons KT, Bonneau R, Ruczinski I és Baker D. „A CASP III célok ab initio protein szerkezetének előrejelzése Rosetta alkalmazásával.” Proteins 37, 171–76 (1999).

22. Shaw DE, Bowers KJ, Edmond C és mtsai. „A nagy teljesítményű számítógépes hálózatépítésről, tárolásról és elemzésről szóló konferencia folytatásai - SC '09.” (2009).

23. Pierce LCT, Salomon-Ferrer R, de Oliveira CAF, et al. „Rendszeres hozzáférés a milliszekundumos időtartamú eseményekhez gyorsított molekuláris dinamikával.” J Chem Theory Comput 8, 2997–3002 (2012).

24. Tracewell CA és Arnold FH. „Irányított enzimfejlődés: a mászóképesség egy aminosavat egyenként csúcsonként.” Curr Opin Chem Biol 13, 3–9 (2009).

25. Pollack A. „Egyesült Államok A Bioetikai Bizottság zöld fényt ad a szintetikus biológiának. ”A New York Times. 2010. december 16.

26. Cho MK, Magnus D, Caplan AL és McGee D. „Etikai megfontolások a minimális genom szintetizálásában.” Science 286, 2087–89 (1999).

27. Weitze M és Pühler A. „Szintetikus biológia - egy mérnöki tudomány felé.” European Review 22, S102–12 (2014).

28. „A felelősségteljes innováció kerete”. Mérnöki és Fizikai Tudományos Kutatási Tanács.