A részlegesen szintetikus moha tervező genomokkal előkészíti az utat a növények számára

A szintetikus biológia már átírja az életet.

2023 végén a tudósok élesztősejteket fedeztek fel genetikai tervük felét mesterséges DNS-sel helyettesítették. Ez egy „vízválasztó” pillanat volt egy 18 éves projekt hogy minden élesztő kromoszómának alternatív változatát tervezzük. Annak ellenére, hogy hét és fél szintetikus kromoszómájuk volt, a sejtek szaporodtak és virágoztak.

Egy új tanulmány felfelé visz minket az evolúciós létrán a dizájner növények felé.

A SynMoss nevű projektben egy kínai csapat újratervezte egyetlen kromoszóma egy részét egy mohatípusban. Az így létrejött részben szintetikus növény normálisan növekedett és spórákat termelt, így az egyik első élőlény, amelynek több sejtje részben mesterséges kromoszómát hordoz.

A növény kromoszómáiban az egyedi változások viszonylag kicsik a szintetikus élesztőhöz képest. De ez egy lépés a magasabb szintű szervezetek genomjainak teljes újratervezése felé.

Egy interjúban TudományDr. Tom Ellis, a londoni Imperial College szintetikus biológusa szerint ez „ébresztő azoknak, akik azt hiszik, hogy a szintetikus genomok csak mikrobák számára valók”.

Az élet frissítése

Az élet újraírására tett erőfeszítések nem csak a tudományos kíváncsiság kielégítésére irányulnak.

A DNS-sel való trükközés segíthet megfejteni az evolúció történetét, és pontosan meghatározni a DNS kritikus szakaszait, amelyek stabilan tartják a kromoszómákat vagy betegségeket okoznak. A kísérletek segíthetnek abban is, hogy jobban megértsük a DNS „sötét anyagát”. A genomban szétszórt titokzatos szekvenciák, amelyek nem kódolnak fehérjéket, régóta zavarba ejtik a tudósokat: hasznosak, vagy csak az evolúció maradványai?

A szintetikus organizmusok az élőlények tervezését is megkönnyítik. A baktériumokat és az élesztőt például már használják sörfőzéshez és életmentő gyógyszerek, például inzulin kiszivattyúzásához. A genom egyes részeinek hozzáadásával, váltásával vagy törlésével ezek a sejtek új képességeket adhatnak.

Egy friss tanulmánybanPéldául a kutatók átprogramozták a baktériumokat, hogy fehérjéket szintetizáljanak a természetben nem látható aminosav-építőkövekkel. Egy másikban tanulmányban egy csapat a baktériumokat műanyag-aprító terminátorokká alakította, amelyek a műanyag hulladékot hasznos anyagokká hasznosítják.

Bár lenyűgöző, a baktériumok a miénkkel ellentétben sejtekből állnak – genetikai anyaguk lebeg, így potenciálisan könnyebben újrahuzalozhatók.

A Szintetikus élesztő projekt áttörés volt. A baktériumokkal ellentétben az élesztő eukarióta sejt. Ebbe a kategóriába tartoznak a növények, állatok és emberek. DNS-ünket egy diószerű buborék, úgynevezett sejtmag védi, így a szintetikus biológusok számára nagyobb kihívást jelent a finomítás.

Ami pedig az eukariótákat illeti, a növényeket nehezebb manipulálni, mint az élesztőt – egy egysejtű szervezetet –, mivel több sejttípust tartalmaznak, amelyek koordinálják a növekedést és a szaporodást. A kromoszómális változások eltérő módon játszódnak le attól függően, hogy az egyes sejtek hogyan működnek, és ezáltal befolyásolják a növény egészségét.

"A többsejtű élőlényekben a genomszintézis feltáratlan terület marad" - írta a kutatócsoport közleményében.

Lassú és egyenletes

Ahelyett, hogy a semmiből egy teljesen új genomot építettek volna fel, a csapat a meglévő mohagenomot bütykölte.

Ezt a zöld szöszöt alaposan tanulmányozták a laboratóriumban. Korai elemzés A moha genomja 35,000 26 potenciális gént tartalmaz – ez meglepően összetett egy növény számára. Mind a XNUMX kromoszómáját teljesen szekvenálták.

Emiatt a növény „széles körben használt modell az evolúciós fejlődési és sejtbiológiai vizsgálatokban” – írta a csapat.

A mohagének könnyen alkalmazkodnak a környezeti változásokhoz, különösen azokhoz, amelyek helyreállítják a napfény által okozott DNS-károsodást. Más növényekkel összehasonlítva – mint például a zsázsa, egy másik modellt kedvelnek a biológusok – a mohának megvan az a beépített képessége, hogy elviseli a nagy DNS-változásokat és gyorsabban regenerálódik. Mindkét szempont „létfontosságú” a genom átírásakor – magyarázta a csapat.

Újabb jutalom? A moha egyetlen sejtből teljes növényké nőhet. Ez a képesség a szintetikus biológusok álomforgatókönyve, mert ha egyetlen sejtben megváltoztatjuk a géneket vagy a kromoszómákat, az egy egész szervezetet megváltoztathat.

A miénkhez hasonlóan a növényi kromoszómák úgy néznek ki, mint egy „X” két keresztbe tett karral. Ehhez a tanulmányhoz a csapat úgy döntött, hogy átírja a növény legrövidebb kromoszómakarját – a 18. kromoszómát. Ez még mindig egy mamutprojekt volt. Korábban a legnagyobb csere csak körülbelül 5,000 DNS-levél volt; az új tanulmánynak több mint 68,000 XNUMX betűt kellett kicserélnie.

A természetes DNS-szekvenciák helyettesítése „az újratervezett nagy szintetikus fragmentumokkal óriási technikai kihívást jelentett” – írta a csapat.

Oszd meg és uralkodj stratégiát választottak. Először közepes méretű szintetikus DNS-darabokat terveztek, mielőtt a kromoszómakar egyetlen DNS-"mega-darabjává" egyesítették őket.

Az újonnan tervezett kromoszómán több figyelemre méltó változás is volt. Megfosztották a transzpozonoktól vagy „ugró génektől”. Ezek a DNS-blokkok a genomban mozognak, és a tudósok még mindig azon vitatkoznak, hogy nélkülözhetetlenek-e a normál biológiai funkciókhoz, vagy hozzájárulnak-e a betegségekhez. A csapat DNS-címkéket is hozzáadott a kromoszómához, hogy szintetikusként jelölje meg, és módosították bizonyos fehérjék termelésének szabályozását.

Összességében a változások közel 56 százalékkal csökkentették a kromoszóma méretét. Miután a tervező kromoszómát behelyezték a mohasejtekbe, a csapat kifejlett növényekké nevelte őket.

Félszintetikus virág

Még egy erősen szerkesztett genom mellett is meglepően normális volt a szintetikus moha. A növények könnyen leveles bokrokká nőttek több ággal, és végül spórákat termeltek. Minden szaporodási struktúra olyan volt, mint a vadonban, ami arra utal, hogy a félszintetikus növények normális életciklussal rendelkeznek, és potenciálisan szaporodhatnak.

A növények megőrizték ellenálló képességüket az erősen sós környezettel szemben is – ez a hasznos alkalmazkodás természetes társaiknál ​​is megfigyelhető.

De a szintetikus mohának voltak váratlan epigenetikai sajátosságai. Az epigenetika annak tudománya, hogy a sejtek hogyan kapcsolják be vagy ki a géneket. A kromoszóma szintetikus része a természetes mohától eltérő epigenetikai profillal rendelkezett, a szokásosnál több aktivált gént tartalmazott. Ez potenciálisan káros lehet a csapat szerint.

A moha potenciális betekintést is kínált a DNS „sötét anyagába”, beleértve a transzpozonokat is. Úgy tűnik, hogy ezeknek az ugrógéneknek a törlése nem károsítja a részben szintetikus növényeket, ami arra utal, hogy nem feltétlenül szükségesek az egészségükhöz.

Gyakorlatiasabban az eredményeket lehetne elérni a biotechnológiai erőfeszítések fellendítése a moha felhasználásával terápiás fehérjék széles skálájának előállítására, beleértve azokat is, amelyek a szívbetegségek leküzdésére, a sebek gyógyítására vagy a stroke kezelésére alkalmasak. A mohát már orvosi drogok szintetizálására használják. Egy részben megtervezett genom megváltoztathatja az anyagcserét, növelheti a fertőzésekkel szembeni ellenálló képességét és növelheti a hozamot.

A következő lépés a 18. kromoszóma rövid karjának teljes helyettesítése szintetikus szekvenciákkal. Céljuk, hogy 10 éven belül egy teljes szintetikus moha genomot hozzanak létre.

Ez egy ambiciózus cél. Összehasonlítva az élesztő genomjával, amely 18 évbe telt, és a felének újraírására globális együttműködésre volt szükség, a moha genom 40-szer nagyobb. De az egyre hatékonyabb és olcsóbb DNS-olvasási és -szintézis-technológiákkal a cél nem elérhető.

A hasonló technikák más projekteket is ösztönözhetnek a kromoszómák újratervezésére a baktériumokon és élesztőkön kívül, növényektől állatokig.

Kép: Pyrex / Wikimedia Commons

• SEO által támogatott tartalom és PR terjesztés. Erősödjön még ma.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Erősítse meg magát. Hozzáférés itt.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Felerősített tudás. Hozzáférés itt.
• PlatoESG. Carbon, CleanTech, Energia, Környezet, Nap, Hulladékgazdálkodás. Hozzáférés itt.
• PlatoHealth. Biotechnológiai és klinikai vizsgálatok intelligencia. Hozzáférés itt.
• Forrás: https://singularityhub.com/2024/02/08/partially-synthetic-moss-paves-the-way-for-plants-with-designer-genomes/