Osittain synteettinen sammal tasoittaa tietä kasveille, joilla on suunnittelijagenomeja

Synteettinen biologia on jo kirjoittamassa elämää uudelleen.

Vuoden 2023 lopulla tutkijat paljastivat hiivasolut puolet niiden geneettisestä suunnitelmasta on korvattu keinotekoisella DNA:lla. Se oli "vedenjakaja" hetkessä 18 vuotta kestänyt projekti suunnitella vaihtoehtoisia versioita jokaisesta hiivan kromosomista. Huolimatta seitsemän ja puoli synteettistä kromosomia, solut lisääntyivät ja menestyivät.

Uusi tutkimus siirtää meidät evoluution tikkaat ylöspäin suunnittelijakasveihin.

SynMoss-nimistä projektia varten kiinalainen tiimi suunnitteli uudelleen osan yhdestä kromosomista sammaleen tyypissä. Tuloksena oleva osittain synteettinen kasvi kasvoi normaalisti ja tuotti itiöitä, mikä teki siitä yhden ensimmäisistä elävistä olentoista, joissa on useita soluja, jotka kantavat osittain keinotekoisen kromosomin.

Mukautetut muutokset kasvin kromosomeissa ovat suhteellisen pieniä verrattuna synteettiseen hiivaan. Mutta se on askel kohti genomien täydellistä uudelleensuunnittelua korkeamman tason organismeissa.

Haastattelussa tiede, synteettinen biologi tohtori Tom Ellis Imperial Collegesta London sanoi, että se on "herätyssoitto ihmisille, jotka ajattelevat, että synteettiset genomit ovat vain mikrobeja varten".

Elämän päivittäminen

Elämän uudelleenkirjoitusyritykset eivät ole vain tieteellisen uteliaisuuden tyydyttämistä.

DNA:n tekeminen voi auttaa meitä tulkitsemaan evoluutiohistoriaa ja paikantamaan DNA:n kriittisiä osia, jotka pitävät kromosomit vakaina tai aiheuttavat sairauksia. Kokeet voivat myös auttaa meitä ymmärtämään paremmin DNA:n "pimeää ainetta". Genomissa leviävät salaperäiset sekvenssit, jotka eivät koodaa proteiineja, ovat pitkään hämmentäneet tiedemiehiä: Ovatko ne hyödyllisiä vai vain evoluution jäänteitä?

Synteettiset organismit helpottavat myös elävien olioiden suunnittelua. Esimerkiksi bakteereja ja hiivaa käytetään jo oluen valmistukseen ja hengenpelastuslääkkeiden, kuten insuliinin, pumppaamiseen. Lisäämällä, vaihtamalla tai poistamalla genomin osia on mahdollista antaa näille soluille uusia ominaisuuksia.

Eräässä tuoreessa tutkimuksessaEsimerkiksi tutkijat ohjelmoivat bakteerit uudelleen syntetisoimaan proteiineja käyttämällä aminohappojen rakennuspalikoita, joita ei nähdä luonnossa. Toisessa tutkimuksessa ryhmä muutti bakteerit muovia leikkaaviksi terminaattoreiksi, jotka kierrättävät muovijätteen hyödyllisiksi materiaaleiksi.

Vaikka bakteerit vaikuttavatkin, ne koostuvat soluista, toisin kuin meidän – niiden geneettinen materiaali kelluu ympäriinsä, mikä tekee niistä mahdollisesti helpompia kytkeä uudelleen.

- Synteettinen hiivaprojekti oli läpimurto. Toisin kuin bakteerit, hiiva on eukaryoottisolu. Kasvit, eläimet ja ihmiset kuuluvat kaikki tähän luokkaan. DNA:mme on suojattu pähkinämäisessä kuplassa, jota kutsutaan ytimeksi, mikä tekee synteettisille biologeille vaikeampaa säätää sitä.

Ja mitä tulee eukaryooteihin, kasveja on vaikeampi käsitellä kuin hiivaa – yksisoluista organismia – koska ne sisältävät useita solutyyppejä, jotka koordinoivat kasvua ja lisääntymistä. Kromosomimuutokset voivat esiintyä eri tavalla riippuen siitä, kuinka kukin solu toimii, ja se puolestaan ​​​​vaikuttaa kasvin terveyteen.

"Genomisynteesi monisoluisissa organismeissa pysyy kartoittamattomana alueena", ryhmä kirjoitti artikkelissaan.

Hitaasti ja vakaasti

Sen sijaan, että olisi rakentanut kokonaan uutta genomia tyhjästä, tiimi viimeisteli olemassa olevan sammalgenomin.

Tätä vihreää nukkaa on tutkittu laajasti laboratoriossa. Varhainen analyysi Sammaleen genomista havaittiin, että sillä on 35,000 26 potentiaalista geeniä – hämmästyttävän monimutkaisia ​​kasveille. Sen kaikki XNUMX kromosomia on sekvensoitu täysin.

Tästä syystä kasvi on "laajasti käytetty malli evoluution kehitys- ja solubiologisissa tutkimuksissa", kirjoitti ryhmä.

Sammaleen geenit mukautuvat helposti ympäristön muutoksiin, erityisesti niihin, jotka korjaavat auringonvalon aiheuttamia DNA-vaurioita. Verrattuna muihin kasveihin - kuten thal krassi, toinen malli, jota biologit suosivat - sammalla on sisäänrakennettu kyky sietää suuria DNA-muutoksia ja uusiutua nopeammin. Molemmat näkökohdat ovat "olennaisia" kirjoitettaessa genomia uudelleen, tiimi selitti.

Toinen etu? Sammaleesta voi kasvaa täysi kasvi yhdestä solusta. Tämä kyky on synteettisten biologien unelma skenaario, koska geenien tai kromosomien muuttaminen vain yhdessä solussa voi mahdollisesti muuttaa koko organismin.

Kuten omamme, kasvien kromosomit näyttävät "X":ltä, jossa on kaksi käsivartta ristissä. Tätä tutkimusta varten ryhmä päätti kirjoittaa uudelleen kasvin lyhimmän kromosomivarren – kromosomi 18. Se oli silti mammuttiprojekti. Aikaisemmin suurin korvaus oli vain noin 5,000 68,000 DNA-kirjainta; uuden tutkimuksen piti korvata yli XNUMX XNUMX kirjainta.

Luonnollisten DNA-sekvenssien korvaaminen "uudelleen suunnitelluilla suurilla synteettisillä fragmenteilla oli valtava tekninen haaste", ryhmä kirjoitti.

He omaksuivat hajota ja hallitse -strategian. He suunnittelivat ensin keskikokoisia synteettisen DNA:n paloja ennen niiden yhdistämistä yhdeksi kromosomivarren DNA:n "megapalaksi".

Äskettäin suunnitellussa kromosomissa oli useita merkittäviä muutoksia. Siitä riisuttiin transposonit eli "hyppäävät geenit". Nämä DNA-lohkot liikkuvat genomissa, ja tutkijat keskustelevat edelleen siitä, ovatko ne välttämättömiä normaaleille biologisille toiminnoille vai edistävätkö ne sairauksia. Tiimi lisäsi myös DNA-tunnisteita kromosomiin merkitäkseen sen synteettisiksi ja teki muutoksia siihen, miten se säätelee tiettyjen proteiinien valmistusta.

Kaiken kaikkiaan muutokset pienensivät kromosomin kokoa lähes 56 prosenttia. Kun suunnittelijakromosomi oli lisätty sammalsoluihin, ryhmä kasvatti niitä aikuisiksi kasveiksi.

Puolisynteettinen kukka

Jopa voimakkaasti muokatun genomin kanssa synteettinen sammal oli yllättävän normaalia. Kasvit kasvoivat helposti lehtipensaiksi, joissa oli useita oksia, ja lopulta tuottivat itiöitä. Kaikki lisääntymisrakenteet olivat kuin luonnossa löydetyt, mikä viittaa siihen, että puolisynteettisillä kasveilla oli normaali elinkaari ja ne voisivat lisääntyä.

Kasvit säilyttivät myös sietokykynsä erittäin suolaisia ​​ympäristöjä vastaan ​​- hyödyllinen sopeutuminen nähtiin myös niiden luonnollisissa vastineissa.

Mutta synteettisellä sammalla oli joitain odottamattomia epigeneettisiä omituisuuksia. Epigenetiikka on tiedettä siitä, kuinka solut kytkevät geenit päälle tai pois päältä. Kromosomin synteettisellä osalla oli erilainen epigeneettinen profiili verrattuna luonnolliseen sammalta, jossa oli tavallista enemmän aktivoituja geenejä. Tämä voi olla haitallista tiimin mukaan.

Sammalta tarjosi myös mahdollisia näkemyksiä DNA:n "pimeästä aineesta", mukaan lukien transposonit. Näiden hyppygeenien poistaminen ei näyttänyt vahingoittavan osittain synteettisiä kasveja, mikä viittaa siihen, että ne eivät ehkä ole välttämättömiä heidän terveydelleen.

Käytännöllisemmin tulokset voisivat tehostaa bioteknologian ponnisteluja sammaleen avulla tuotetaan laaja valikoima terapeuttisia proteiineja, mukaan lukien sellaiset, jotka torjuvat sydänsairauksia, parantavat haavoja tai hoitavat aivohalvausta. Sammalta käytetään jo lääkeaineiden syntetisoimiseen. Osittain muotoiltu genomi voisi muuttaa sen aineenvaihduntaa, parantaa sen vastustuskykyä infektioita vastaan ​​ja lisätä satoa.

Seuraava askel on korvata kromosomin 18 lyhyt käsivarsi kokonaisuudessaan synteettisillä sekvensseillä. He pyrkivät luomaan koko synteettisen sammalgenomin 10 vuodessa.

Se on kunnianhimoinen tavoite. Verrattuna hiivan genomiin, joka kesti 18 vuotta ja maailmanlaajuisen yhteistyön puolet siitä uudelleen kirjoittamiseen, sammalgenomi on 40 kertaa suurempi. Mutta yhä tehokkaampien ja halvempien DNA-luku- ja synteesitekniikoiden ansiosta tavoite ei ole ulottumattomissa.

Samankaltaiset tekniikat voisivat myös innostaa muita hankkeita kromosomien uudelleensuunnitteluun bakteerien ja hiivojen lisäksi kasveista eläimiin.

Kuva pistetilanne: Pyrex / Wikimedia Commons

• SEO-pohjainen sisällön ja PR-jakelu. Vahvista jo tänään.
• PlatoData.Network Vertical Generatiivinen Ai. Vahvista itseäsi. Pääsy tästä.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Tietoa laajennettu. Pääsy tästä.
• PlatoESG. hiili, CleanTech, energia, ympäristö, Aurinko, Jätehuolto. Pääsy tästä.
• PlatonHealth. Biotekniikan ja kliinisten kokeiden älykkyys. Pääsy tästä.
• Lähde: https://singularityhub.com/2024/02/08/partially-synthetic-moss-paves-the-way-for-plants-with-designer-genomes/