Osaliselt sünteetiline sammal sillutab teed disainergenoomidega taimedele

Sünteetiline bioloogia kirjutab juba elu ümber.

2023. aasta lõpus tegid teadlased paljastatud pärmirakud pool nende geneetilisest plaanist on asendatud kunstliku DNA-ga. See oli hetk "valake". 18 aastat kestnud projekt iga pärmi kromosoomi alternatiivsete versioonide kujundamiseks. Vaatamata seitsmele ja poolele sünteetilisele kromosoomile rakud paljunesid ja õitsesid.

Uues uurimuses viib meid evolutsiooniredelil üles disainertaimedeni.

Projekti nimega SynMoss jaoks kujundas Hiina meeskond ümber osa ühest kromosoomist teatud tüüpi samblas. Saadud osaliselt sünteetiline taim kasvas normaalselt ja tekitas eoseid, mistõttu oli see üks esimesi elusolendeid, millel on mitu rakku, mis kandis osaliselt kunstlikku kromosoomi.

Taime kromosoomide kohandatud muutused on sünteetilise pärmiga võrreldes suhteliselt väikesed. Kuid see on samm kõrgema taseme organismide genoomide täieliku ümberkujundamise suunas.

Ühes intervjuus teadus, sünteetilise bioloog dr Tom Ellis Londoni Imperial College'ist ütles, et see on "äratuskõne inimestele, kes arvavad, et sünteetilised genoomid on mõeldud ainult mikroobide jaoks".

Elu uuendamine

Püüdlused elu ümber kirjutada ei ole ainult teadusliku uudishimu rahuldamine.

DNA-ga nokitsemine võib aidata meil dešifreerida evolutsiooniajalugu ja määrata täpselt kindlaks DNA kriitilised osad, mis hoiavad kromosoome stabiilsena või põhjustavad haigusi. Katsed võivad aidata meil ka paremini mõista DNA "tumeainet". Genoomis risustatud salapärased järjestused, mis ei kodeeri valke, on teadlasi juba ammu hämmingus: kas need on kasulikud või on need lihtsalt evolutsiooni jäänused?

Sünteetilised organismid muudavad ka elusolendite kujundamise lihtsamaks. Näiteks baktereid ja pärmi kasutatakse juba õlle valmistamiseks ja elupäästvate ravimite, näiteks insuliini väljapumpamiseks. Genoomi osi lisades, vahetades või kustutades on võimalik anda neile rakkudele uusi võimalusi.

Ühes hiljutises uuringusNäiteks programmeerisid teadlased bakterid ümber, et sünteesida valke, kasutades selleks aminohapete ehitusplokke, mida looduses ei ole näha. Teises uuringus muutis meeskond bakterid plastikut tükeldavateks terminaatoriteks, mis taaskasutavad plastjäätmeid kasulikeks materjalideks.

Ehkki bakterid on muljetavaldavad, koosnevad erinevalt meie omadest rakkudest – nende geneetiline materjal hõljub ringi, muutes neid potentsiaalselt lihtsamaks.

. Sünteetilise pärmi projekt oli läbimurre. Erinevalt bakteritest on pärm eukarüootne rakk. Sellesse kategooriasse kuuluvad kõik taimed, loomad ja inimesed. Meie DNA on kaitstud pähklitaolise mulli sees, mida nimetatakse tuumaks, mistõttu on sünteetiliste bioloogide jaoks keerulisem kohandada.

Ja mis puudutab eukarüoote, siis taimi on raskem manipuleerida kui pärmi - üherakulise organismiga -, kuna need sisaldavad mitut rakutüüpi, mis koordineerivad kasvu ja paljunemist. Kromosomaalsed muutused võivad kulgeda erinevalt sõltuvalt sellest, kuidas iga rakk toimib, ja omakorda mõjutada taime tervist.

"Genoomi süntees mitmerakulistes organismides jääb kaardistamata territooriumiks," kirjutas meeskond oma artiklis.

Aeglane ja püsiv

Selle asemel, et luua nullist täiesti uus genoom, tegeles meeskond olemasoleva sambla genoomiga.

Seda rohelist udukest on laboris põhjalikult uuritud. Varajane analüüs Sambla genoomist leiti, et sellel on 35,000 26 potentsiaalset geeni – see on taime jaoks hämmastavalt keeruline. Kõik selle XNUMX kromosoomi on täielikult sekveneeritud.

Sel põhjusel on taim "laialt kasutatav mudel evolutsioonilistes arengu- ja rakubioloogilistes uuringutes", kirjutas meeskond.

Samblageenid kohanevad kergesti keskkonnamuutustega, eriti nendega, mis parandavad päikesevalguse põhjustatud DNA kahjustusi. Võrreldes teiste taimedega, nagu näiteks lehtkress, eelistavad teised bioloogid, on samblal sisseehitatud võime taluda suuri DNA muutusi ja kiiremini taastuda. Mõlemad aspektid on genoomi ümberkirjutamisel "olulised", selgitas meeskond.

Veel üks hüve? Sammal võib ühest rakust kasvada täistaimeks. See võime on sünteetiliste bioloogide unistuste stsenaarium, sest geenide või kromosoomide muutmine ainult ühes rakus võib potentsiaalselt muuta tervet organismi.

Nagu meie oma, näevad taimekromosoomid välja nagu "X", millel on kaks ristatud kätt. Selle uuringu jaoks otsustas meeskond ümber kirjutada taime lühima kromosoomiharu – kromosoomi 18. See oli ikkagi mammutprojekt. Varem oli suurim asendus vaid umbes 5,000 DNA-tähte; uus uuring pidi asendama üle 68,000 XNUMX tähe.

Looduslike DNA järjestuste asendamine "ümberkujundatud suurte sünteetiliste fragmentidega kujutas endast tohutut tehnilist väljakutset," kirjutas meeskond.

Nad võtsid jaga ja valluta strateegia. Esmalt kavandasid nad sünteetilise DNA keskmise suurusega tükid, enne kui ühendasid need üheks kromosoomiharu DNA- "megatükiks".

Äsja kujundatud kromosoomil oli mitmeid märkimisväärseid muutusi. Sellest eemaldati transposoonid ehk "hüppavad geenid". Need DNA-plokid liiguvad ümber genoomi ja teadlased vaidlevad endiselt selle üle, kas need on normaalsete bioloogiliste funktsioonide jaoks olulised või aitavad kaasa haiguste tekkele. Meeskond lisas kromosoomile ka DNA "sildid", et märkida see sünteetiliseks, ja muutis seda, kuidas see reguleerib teatud valkude tootmist.

Üldiselt vähendasid muutused kromosoomi suurust ligi 56 protsenti. Pärast disainerkromosoomi sisestamist samblarakkudesse kasvatas meeskond neid täiskasvanud taimedeks.

Poolsünteetiline õis

Isegi tugevalt redigeeritud genoomi korral oli sünteetiline sammal üllatavalt normaalne. Taimed kasvasid kergesti mitme oksaga lehtpõõsasteks ja tekitasid lõpuks eoseid. Kõik paljunemisstruktuurid olid sarnased looduses leiduvatele, mis viitab sellele, et poolsünteetilistel taimedel oli normaalne elutsükkel ja nad võivad potentsiaalselt paljuneda.

Taimed säilitasid ka oma vastupidavuse väga soolase keskkonna vastu - kasulik kohanemine on näha ka nende looduslike kolleegide puhul.

Kuid sünteetilisel samblal oli mõningaid ootamatuid epigeneetilisi veidrusi. Epigeneetika on teadus selle kohta, kuidas rakud geene sisse või välja lülitavad. Kromosoomi sünteetiline osa oli võrreldes loodusliku samblaga teistsuguse epigeneetilise profiiliga, tavapärasest rohkem aktiveeritud geene. Meeskonna sõnul võib see potentsiaalselt kahjulik olla.

Sammal pakkus ka potentsiaalseid teadmisi DNA "tumeainest", sealhulgas transposoonidest. Nende hüppavate geenide kustutamine ei paistnud kahjustavat osaliselt sünteetilisi taimi, mis viitab sellele, et need ei pruugi olla nende tervisele olulised.

Praktilisemalt võiksid tulemused olla hoogustada biotehnoloogilisi jõupingutusi sambla kasutamine mitmesuguste terapeutiliste valkude tootmiseks, sealhulgas südamehaigustega võitlemiseks, haavade paranemiseks või insuldi raviks. Sammalt kasutatakse juba meditsiiniliste ravimite sünteesimiseks. Osaliselt kujundatud genoom võib muuta selle ainevahetust, suurendada selle vastupanuvõimet infektsioonide vastu ja suurendada saagikust.

Järgmine samm on asendada kogu kromosoomi 18 lühike käsi sünteetiliste järjestustega. Nende eesmärk on luua 10 aasta jooksul kogu sünteetiline sambla genoom.

See on ambitsioonikas eesmärk. Võrreldes pärmi genoomiga, milleks kulus 18 aastat ja ülemaailmne koostöö, et pool sellest ümber kirjutada, on sambla genoom 40 korda suurem. Kuid üha tõhusamate ja odavamate DNA lugemis- ja sünteesitehnoloogiate puhul pole eesmärk saavutatav.

Sarnased tehnikad võivad inspireerida ka teisi projekte kromosoomide ümberkujundamiseks organismides peale bakterite ja pärmi, taimedest loomadeni.

Image Credit: Pyrex / Wikimedia Commons

• SEO-põhise sisu ja PR-levi. Võimenduge juba täna.
• PlatoData.Network Vertikaalne generatiivne Ai. Jõustage ennast. Juurdepääs siia.
• PlatoAiStream. Web3 luure. Täiustatud teadmised. Juurdepääs siia.
• PlatoESG. Süsinik, CleanTech, Energia, Keskkond päikeseenergia, Jäätmekäitluse. Juurdepääs siia.
• PlatoTervis. Biotehnoloogia ja kliiniliste uuringute luureandmed. Juurdepääs siia.
• Allikas: https://singularityhub.com/2024/02/08/partially-synthetic-moss-paves-the-way-for-plants-with-designer-genomes/