Delvis syntetisk mos baner vei for planter med designergenom

Syntetisk biologi omskriver allerede livet.

På slutten av 2023, forskere avslørte gjærceller med halvparten av deres genetiske blåkopi erstattet av kunstig DNA. Det var et "vannskille" øyeblikk i en 18 år langt prosjekt å designe alternative versjoner av hvert gjærkromosom. Til tross for at de hadde syv og et halvt syntetiske kromosomer, reproduserte og trivdes cellene.

En ny studie flytter oss oppover den evolusjonære stigen til designerplanter.

For et prosjekt kalt SynMoss redesignet et team i Kina en del av et enkelt kromosom i en type mose. Den resulterende delsyntetiske planten vokste normalt og produserte sporer, noe som gjør den til en av de første levende tingene med flere celler som bærer et delvis kunstig kromosom.

De tilpassede endringene i plantens kromosomer er relativt små sammenlignet med den syntetiske gjæren. Men det er et skritt mot fullstendig redesign av genomer i organismer på høyere nivå.

I et intervju med Vitenskap, sa syntetisk biolog Dr. Tom Ellis fra Imperial College London at det er en "vekker til folk som tror at syntetiske genomer bare er for mikrober."

Oppgradering av livet

Forsøk på å omskrive livet er ikke bare for å tilfredsstille vitenskapelig nysgjerrighet.

Å tukle med DNA kan hjelpe oss med å tyde evolusjonshistorien og finne kritiske DNA-strekninger som holder kromosomene stabile eller forårsaker sykdom. Eksperimentene kan også hjelpe oss å bedre forstå DNAs "mørk materie". Mystiske sekvenser som ikke koder for proteiner, spredt over genomet, har lenge forvirret forskere: Er de nyttige eller bare rester av evolusjon?

Syntetiske organismer gjør det også lettere å konstruere levende ting. Bakterier og gjær brukes for eksempel allerede til å brygge øl og pumpe ut livreddende medisiner som insulin. Ved å legge til, bytte eller slette deler av genomet, er det mulig å gi disse cellene nye muligheter.

I en fersk studie, for eksempel omprogrammerte forskere bakterier til å syntetisere proteiner ved å bruke aminosyrebyggesteiner som ikke sees i naturen. I en annen studie, gjorde et team bakterier til plastknusende terminatorer som resirkulerer plastavfall til nyttige materialer.

Selv om det er imponerende, er bakterier laget av celler i motsetning til våre - deres genetiske materiale flyter rundt, noe som gjør dem potensielt lettere å koble om.

De Syntetisk gjærprosjekt var et gjennombrudd. I motsetning til bakterier er gjær en eukaryot celle. Planter, dyr og mennesker faller alle inn i denne kategorien. DNAet vårt er beskyttet inne i en nøttelignende boble kalt en kjerne, noe som gjør det mer utfordrende for syntetiske biologer å justere.

Og når det gjelder eukaryoter, er planter vanskeligere å manipulere enn gjær - en encellet organisme - siden de inneholder flere celletyper som koordinerer vekst og reproduksjon. Kromosomale endringer kan utspille seg forskjellig avhengig av hvordan hver celle fungerer og i sin tur påvirke plantens helse.

"Genomsyntese i flercellede organismer forblir ukjent territorium," skrev teamet i papiret deres.

Langsom og stabil

I stedet for å bygge et helt nytt genom fra bunnen av, fiklet teamet med det eksisterende mosegenomet.

Denne grønne fuzzen har blitt grundig studert i laboratoriet. En tidlig analyse av mosegenomet fant at det har 35,000 26 potensielle gener – slående komplekst for en plante. Alle XNUMX kromosomene er fullstendig sekvensert.

Av denne grunn er planten en "bredt brukt modell i evolusjonære utviklings- og cellebiologiske studier," skrev teamet.

Mossgener tilpasser seg lett til miljøendringer, spesielt de som reparerer DNA-skader fra sollys. Sammenlignet med andre planter – slik som thale karse, en annen modell som biologer favoriserer – har mose den innebygde evnen til å tolerere store DNA-endringer og regenerere raskere. Begge aspektene er "essensielle" når du omskriver genomet, forklarte teamet.

En annen fordel? Mosen kan vokse til en full plante fra en enkelt celle. Denne evnen er et drømmescenario for syntetiske biologer fordi endring av gener eller kromosomer i bare én celle potensielt kan endre en hel organisme.

Som våre egne ser plantekromosomer ut som en "X" med to kryssede armer. For denne studien bestemte teamet seg for å omskrive den korteste kromosomarmen i planten – kromosom 18. Det var fortsatt et mammutprosjekt. Tidligere var den største erstatningen bare rundt 5,000 DNA-bokstaver; den nye studien måtte erstatte over 68,000 XNUMX brev.

Å erstatte naturlige DNA-sekvenser med "de redesignede store syntetiske fragmentene ga en formidabel teknisk utfordring," skrev teamet.

De tok en del-og-hersk-strategi. De designet først mellomstore biter av syntetisk DNA før de kombinerte dem til en enkelt DNA "mega-klump" av kromosomarmen.

Det nydesignede kromosomet hadde flere bemerkelsesverdige endringer. Den ble fratatt transposoner, eller "hoppende gener." Disse DNA-blokkene beveger seg rundt genomet, og forskere diskuterer fortsatt om de er avgjørende for normale biologiske funksjoner eller om de bidrar til sykdom. Teamet la også til DNA "tags" til kromosomet for å markere det som syntetisk og gjorde endringer i hvordan det regulerer produksjonen av visse proteiner.

Samlet reduserte endringene størrelsen på kromosomet med nesten 56 prosent. Etter å ha satt inn designerkromosomet i moseceller, pleiet teamet dem til voksne planter.

En halvsyntetisk blomst

Selv med et sterkt redigert genom, var den syntetiske mosen overraskende normal. Plantene vokste lett til bladrike busker med flere grener og produserte til slutt sporer. Alle reproduktive strukturer var som de som finnes i naturen, noe som tyder på at de halvsyntetiske plantene hadde en normal livssyklus og potensielt kunne reprodusere seg.

Plantene opprettholdt også sin motstandskraft mot svært salte miljøer - en nyttig tilpasning også sett i deres naturlige kolleger.

Men den syntetiske mosen hadde noen uventede epigenetiske særheter. Epigenetikk er vitenskapen om hvordan celler slår gener på eller av. Den syntetiske delen av kromosomet hadde en annen epigenetisk profil sammenlignet med naturlig mose, med flere aktiverte gener enn vanlig. Dette kan potensielt være skadelig, ifølge teamet.

Mosen tilbød også potensiell innsikt i DNAs "mørk materie", inkludert transposoner. Å slette disse hoppgenene så ikke ut til å skade de delvis syntetiske plantene, noe som tyder på at de kanskje ikke er avgjørende for helsen deres.

Mer praktisk kan resultatene øke bioteknologisk innsats bruke mose til å produsere et bredt spekter av terapeutiske proteiner, inkludert de som bekjemper hjertesykdom, helbreder sår eller behandler slag. Moss brukes allerede til å syntetisere medisinske stoffer. Et delvis designergenom kan endre metabolismen, øke motstandskraften mot infeksjoner og øke utbyttet.

Neste trinn er å erstatte hele kromosom 18s korte arm med syntetiske sekvenser. De har som mål å generere et helt syntetisk mosegenom innen 10 år.

Det er et ambisiøst mål. Sammenlignet med gjærgenomet, som tok 18 år og et globalt samarbeid for å omskrive halvparten av det, er mosegenomet 40 ganger større. Men med stadig mer effektive og billigere DNA-lesings- og synteseteknologier, er ikke målet utenfor rekkevidde.

Lignende teknikker kan også inspirere andre prosjekter for å redesigne kromosomer i organismer utover bakterier og gjær, fra planter til dyr.

Bilde Credit: Pyrex / Wikimedia Commons

• SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrk deg selv. Tilgang her.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
• PlatoESG. Karbon, CleanTech, Energi, Miljø, Solenergi, Avfallshåndtering. Tilgang her.
• PlatoHelse. Bioteknologisk og klinisk etterretning. Tilgang her.
• kilde: https://singularityhub.com/2024/02/08/partially-synthetic-moss-paves-the-way-for-plants-with-designer-genomes/