Delvis syntetisk mos baner vejen for planter med designergenomer

Delvis syntetisk mos baner vejen for planter med designergenomer

Tidsstempel: 8. februar 2024 kl. 4:20
Partially Synthetic Moss Paves the Way for Plants With Designer Genomes PlatoBlockchain Data Intelligence. Vertical Search. Ai.

Syntetisk biologi er allerede ved at omskrive livet.

I slutningen af ​​2023, videnskabsmænd afslørede gærceller med halvdelen af ​​deres genetiske plan erstattet af kunstigt DNA. Det var et "vandskel" øjeblik i et 18-årigt projekt at designe alternative versioner af hvert gærkromosom. På trods af at de havde syv og et halvt syntetiske kromosomer, reproducerede cellerne og trivedes.

En ny undersøgelse flytter os op ad den evolutionære stigen til designerplanter.

Til et projekt kaldet SynMoss redesignede et hold i Kina en del af et enkelt kromosom i en type mos. Den resulterende delsyntetiske plante voksede normalt og producerede sporer, hvilket gør den til en af ​​de første levende væsener med flere celler, der bærer et delvist kunstigt kromosom.

De tilpassede ændringer i plantens kromosomer er relativt små sammenlignet med den syntetiske gær. Men det er et skridt i retning af fuldstændig redesign af genomer i organismer på højere niveau.

I et interview med Videnskab, sagde syntetisk biolog Dr. Tom Ellis fra Imperial College London, at det er et "wake-up call til folk, der tror, ​​at syntetiske genomer kun er for mikrober."

Opgradering af livet

Bestræbelser på at omskrive livet er ikke kun for at tilfredsstille videnskabelig nysgerrighed.

At tude med DNA kan hjælpe os med at tyde evolutionær historie og lokalisere kritiske DNA-strækninger, der holder kromosomerne stabile eller forårsager sygdom. Eksperimenterne kunne også hjælpe os med bedre at forstå DNA's "mørke stof". Mystiske sekvenser, der ikke koder for proteiner, spredt ud over genomet, har længe undret videnskabsmænd: Er de nyttige eller bare rester af evolution?

Syntetiske organismer gør det også lettere at konstruere levende ting. Bakterier og gær bruges for eksempel allerede til at brygge øl og pumpe livreddende medicin som insulin ud. Ved at tilføje, skifte eller slette dele af genomet er det muligt at give disse celler nye muligheder.

I en nylig undersøgelse, for eksempel omprogrammerede forskere bakterier til at syntetisere proteiner ved hjælp af aminosyrebyggesten, der ikke ses i naturen. I en anden undersøgelse forvandlede et hold bakterier til plastik-knusende terminatorer, der genbruger plastikaffald til nyttige materialer.

Selvom det er imponerende, er bakterier lavet af celler i modsætning til vores - deres genetiske materiale flyder rundt, hvilket gør dem potentielt nemmere at omkoble.

Syntetisk gærprojekt var et gennembrud. I modsætning til bakterier er gær en eukaryot celle. Planter, dyr og mennesker falder alle ind under denne kategori. Vores DNA er beskyttet inde i en nøddelignende boble kaldet en kerne, hvilket gør det mere udfordrende for syntetiske biologer at justere.

Og hvad angår eukaryoter, er planter sværere at manipulere end gær - en enkeltcellet organisme - da de indeholder flere celletyper, der koordinerer vækst og reproduktion. Kromosomændringer kan udspille sig forskelligt afhængigt af, hvordan hver celle fungerer og på sin side påvirke plantens sundhed.

"Genomsyntese i flercellede organismer forbliver ukendt territorium," skrev holdet i deres papir.

Langsom og stabil

I stedet for at bygge et helt nyt genom fra bunden, pillede holdet med det eksisterende mosgenom.

Denne grønne fuzz er blevet grundigt undersøgt i laboratoriet. En tidlig analyse af mosgenomet fandt det har 35,000 potentielle gener - slående komplekst for en plante. Alle dens 26 kromosomer er blevet fuldstændigt sekventeret.

Af denne grund er planten en "bredt brugt model i evolutionære udviklings- og cellebiologiske undersøgelser," skrev holdet.

Mosgener tilpasser sig let til miljøændringer, især dem, der reparerer DNA-skader fra sollys. Sammenlignet med andre planter - såsom thale karse, en anden model, biologer foretrækker - har mos den indbyggede evne til at tolerere store DNA-ændringer og regenerere hurtigere. Begge aspekter er "essentielle", når man omskriver genomet, forklarede holdet.

Endnu et frynsegode? Mosen kan vokse til en fuld plante fra en enkelt celle. Denne evne er et drømmescenario for syntetiske biologer, fordi ændring af gener eller kromosomer i kun én celle potentielt kan ændre en hel organisme.

Som vores egne ligner plantekromosomer et "X" med to krydsede arme. Til denne undersøgelse besluttede holdet at omskrive den korteste kromosomarm i planten - kromosom 18. Det var stadig et mammutprojekt. Tidligere var den største erstatning kun omkring 5,000 DNA-bogstaver; den nye undersøgelse skulle erstatte over 68,000 breve.

At erstatte naturlige DNA-sekvenser med "de redesignede store syntetiske fragmenter udgjorde en formidabel teknisk udfordring," skrev holdet.

De tog en del-og-hersk-strategi. De designede først mellemstore bidder af syntetisk DNA, før de kombinerede dem til en enkelt DNA "mega-chunk" af kromosomarmen.

Det nydesignede kromosom havde flere bemærkelsesværdige ændringer. Det blev frataget transposoner eller "springende gener". Disse DNA-blokke bevæger sig rundt i genomet, og videnskabsmænd diskuterer stadig, om de er essentielle for normale biologiske funktioner, eller om de bidrager til sygdom. Holdet tilføjede også DNA "tags" til kromosomet for at markere det som syntetisk og lavede ændringer i, hvordan det regulerer fremstillingen af ​​visse proteiner.

Samlet set reducerede ændringerne størrelsen af ​​kromosomet med næsten 56 procent. Efter at have indsat designerkromosomet i mosceller, plejede holdet dem til voksne planter.

En halvsyntetisk blomst

Selv med et stærkt redigeret genom var det syntetiske mos overraskende normalt. Planterne voksede let til bladrige buske med flere grene og producerede til sidst sporer. Alle reproduktive strukturer var som dem, der findes i naturen, hvilket tyder på, at de halvsyntetiske planter havde en normal livscyklus og potentielt kunne formere sig.

Planterne bevarede også deres modstandsdygtighed over for meget saltholdige miljøer - en nyttig tilpasning også set i deres naturlige modstykker.

Men det syntetiske mos havde nogle uventede epigenetiske særheder. Epigenetik er videnskaben om, hvordan celler tænder eller slukker gener. Den syntetiske del af kromosomet havde en anden epigenetisk profil sammenlignet med naturligt mos, med flere aktiverede gener end normalt. Dette kan potentielt være skadeligt, ifølge holdet.

Mosen tilbød også potentiel indsigt i DNA's "mørke stof", herunder transposoner. Sletning af disse springgener så ikke ud til at skade de delvist syntetiske planter, hvilket tyder på, at de måske ikke er afgørende for deres helbred.

Mere praktisk kunne resultaterne øge den bioteknologiske indsats bruge mos til at producere en bred vifte af terapeutiske proteiner, inklusive dem, der bekæmper hjertesygdomme, heler sår eller behandler slagtilfælde. Moss bruges allerede til at syntetisere medicinske lægemidler. Et delvist designergenom kunne ændre dets stofskifte, øge dets modstandsdygtighed mod infektioner og øge udbyttet.

Det næste trin er at erstatte hele kromosom 18's korte arm med syntetiske sekvenser. De sigter mod at generere et helt syntetisk mosgenom inden for 10 år.

Det er et ambitiøst mål. Sammenlignet med gærgenomet, som tog 18 år og et globalt samarbejde om at omskrive halvdelen af ​​det, er mosgenomet 40 gange større. Men med stadig mere effektive og billigere DNA-læsnings- og synteseteknologier, er målet ikke uden for rækkevidde.

Lignende teknikker kunne også inspirere andre projekter til at redesigne kromosomer i organismer ud over bakterier og gær, fra planter til dyr.

Billede Credit: Pyrex / Wikimedia Commons

Tidsstempel:

Mere fra Singularitet Hub