Częściowo syntetyczny mech toruje drogę roślinom o designerskich genomach

Biologia syntetyczna już przepisuje życie.

Pod koniec 2023 r. naukowcy ujawnił komórki drożdży z połową ich planu genetycznego zastąpionego sztucznym DNA. To był „przełomowy” moment w historii Projekt trwający 18 lat zaprojektować alternatywne wersje każdego chromosomu drożdży. Pomimo posiadania siedmiu i pół syntetycznych chromosomów, komórki rozmnażały się i rozwijały.

Nowe badania przenosi nas w górę po drabinie ewolucyjnej do roślin projektantów.

W ramach projektu o nazwie SynMoss zespół z Chin przeprojektował część pojedynczego chromosomu w mchu. Powstała, częściowo syntetyczna roślina, rosła normalnie i wytwarzała zarodniki, co czyni ją jedną z pierwszych żywych istot z wieloma komórkami, które noszą częściowo sztuczny chromosom.

Niestandardowe zmiany w chromosomach rośliny są stosunkowo niewielkie w porównaniu z drożdżami syntetycznymi. Jest to jednak krok w kierunku całkowitego przeprojektowania genomów w organizmach wyższego rzędu.

W rozmowie z nauka, biolog syntetyczny, dr Tom Ellis z Imperial College w Londynie, powiedział, że to „pobudka dla ludzi, którzy myślą, że syntetyczne genomy są przeznaczone tylko dla drobnoustrojów”.

Ulepszanie życia

Wysiłki mające na celu napisanie życia na nowo nie mają na celu jedynie zaspokojenia naukowej ciekawości.

Majstrowanie przy DNA może pomóc nam rozszyfrować historię ewolucji i wskazać krytyczne odcinki DNA, które utrzymują stabilność chromosomów lub powodują choroby. Eksperymenty mogą również pomóc nam lepiej zrozumieć „ciemną materię” DNA. Zaśmiecone genomem tajemnicze sekwencje, które nie kodują białek, od dawna wprawiają naukowców w zakłopotanie: czy są przydatne, czy są jedynie pozostałością ewolucji?

Organizmy syntetyczne ułatwiają także konstruowanie żywych istot. Na przykład bakterie i drożdże są już wykorzystywane do warzenia piwa i pompowania leków ratujących życie, takich jak insulina. Dodając, przełączając lub usuwając części genomu, można nadać tym komórkom nowe możliwości.

W jednym z ostatnich badańna przykład badacze przeprogramowali bakterie tak, aby syntetyzowały białka przy użyciu elementów budulcowych aminokwasów niespotykanych w naturze. Winnym badaniu zespół zamienił bakterie w gryzące plastik Terminatory, które przetwarzają odpady z tworzyw sztucznych w przydatne materiały.

Choć bakterie robią wrażenie, zbudowane są z komórek odmiennych od naszych – ich materiał genetyczny unosi się w powietrzu, co potencjalnie ułatwia ich przeprogramowanie.

Połączenia Projekt drożdży syntetycznych był przełom. W przeciwieństwie do bakterii drożdże są komórkami eukariotycznymi. Do tej kategorii zaliczają się rośliny, zwierzęta i ludzie. Nasze DNA jest chronione wewnątrz przypominającej orzech bańki zwanej jądrem, co utrudnia biologom syntetycznym jego modyfikowanie.

A jeśli chodzi o eukarionty, roślinami trudniej jest manipulować niż drożdżami – organizmem jednokomórkowym – ponieważ zawierają wiele typów komórek, które koordynują wzrost i rozmnażanie. Zmiany chromosomalne mogą przebiegać różnie w zależności od funkcjonowania każdej komórki, co z kolei wpływa na zdrowie rośliny.

„Synteza genomu organizmów wielokomórkowych pozostaje niezbadanym terytorium” – napisał zespół w swojej pracy.

Powoli i spokojnie

Zamiast budować od zera zupełnie nowy genom, zespół majstrował przy istniejącym genomie mchu.

Ten zielony meszek został szczegółowo zbadany w laboratorium. Wczesna analiza genomu mchu odkrył, że zawiera on 35,000 26 potencjalnych genów – co jest uderzająco złożone jak na roślinę. Wszystkie XNUMX chromosomów zostało całkowicie zsekwencjonowane.

Z tego powodu roślina jest „szeroko stosowanym modelem w badaniach rozwoju ewolucyjnego i biologii komórki” – napisał zespół.

Geny mchów łatwo przystosowują się do zmian środowiskowych, zwłaszcza tych, które naprawiają uszkodzenia DNA spowodowane światłem słonecznym. W porównaniu z innymi roślinami – takimi jak rzeżucha pospolita, inny model preferowany przez biologów – mech ma wbudowaną zdolność tolerowania dużych zmian w DNA i szybszej regeneracji. Oba aspekty są „niezbędne” przy przepisywaniu genomu – wyjaśnił zespół.

Kolejna zaleta? Z jednej komórki mech może wyrosnąć na pełną roślinę. Ta zdolność jest wymarzonym scenariuszem dla biologów syntetycznych, ponieważ zmiana genów lub chromosomów tylko w jednej komórce może potencjalnie zmienić cały organizm.

Podobnie jak nasze, chromosomy roślinne wyglądają jak „X” z dwoma skrzyżowanymi ramionami. Na potrzeby tego badania zespół zdecydował się przepisać najkrótsze ramię chromosomu w roślinie – chromosom 18. Nadal był to gigantyczny projekt. Wcześniej największa wymiana dotyczyła tylko około 5,000 liter DNA; w nowym badaniu konieczne było zastąpienie ponad 68,000 XNUMX liter.

Zastąpienie naturalnych sekwencji DNA „przeprojektowanymi dużymi fragmentami syntetycznymi stanowiło ogromne wyzwanie techniczne” – napisał zespół.

Przyjęli strategię dziel i zwyciężaj. Najpierw zaprojektowali średniej wielkości fragmenty syntetycznego DNA, a następnie połączyli je w pojedynczy „megafragment” DNA ramienia chromosomu.

W nowo zaprojektowanym chromosomie wprowadzono kilka znaczących zmian. Został pozbawiony transpozonów, czyli „skaczących genów”. Te bloki DNA przemieszczają się po genomie, a naukowcy wciąż debatują, czy są niezbędne do normalnych funkcji biologicznych, czy też przyczyniają się do chorób. Zespół dodał także „znaczniki” DNA do chromosomu, aby oznaczyć go jako syntetyczny, i wprowadził zmiany w sposobie, w jaki reguluje on wytwarzanie niektórych białek.

Ogólnie zmiany zmniejszyły rozmiar chromosomu o prawie 56 procent. Po wstawieniu designerskiego chromosomu do komórek mchu zespół wychował je w dorosłe rośliny.

Półsyntetyczny kwiat

Nawet przy mocno zmodyfikowanym genomie syntetyczny mech był zaskakująco normalny. Rośliny łatwo wyrosły w liściaste krzewy z wieloma gałęziami i ostatecznie wytworzyły zarodniki. Wszystkie struktury rozrodcze przypominały te występujące na wolności, co sugeruje, że półsyntetyczne rośliny miały normalny cykl życiowy i mogły potencjalnie się rozmnażać.

Rośliny zachowały także odporność na silnie zasolone środowiska – co jest przydatną adaptacją obserwowaną także u ich naturalnych odpowiedników.

Ale syntetyczny mech miał pewne nieoczekiwane epigenetyczne dziwactwa. Epigenetyka to nauka o tym, jak komórki włączają i wyłączają geny. Syntetyczna część chromosomu miała inny profil epigenetyczny w porównaniu z naturalnym mchem i zawierała więcej aktywowanych genów niż zwykle. Zdaniem zespołu może to być potencjalnie szkodliwe.

Mech zapewnił także potencjalny wgląd w „ciemną materię” DNA, w tym transpozony. Wydaje się, że usunięcie tych skaczących genów nie zaszkodziło częściowo syntetycznym roślinom, co sugeruje, że mogą nie być niezbędne dla ich zdrowia.

Bardziej praktycznie, wyniki mogłyby zintensyfikować wysiłki biotechnologiczne wykorzystując mch do produkcji szerokiej gamy białek terapeutycznych, w tym tych, które zwalczają choroby serca, leczą rany lub leczą udar. Mech jest już używany do syntezy leków. Częściowo zaprojektowany genom mógłby zmienić jego metabolizm, zwiększyć jego odporność na infekcje i zwiększyć plony.

Następnym krokiem jest zastąpienie całego krótkiego ramienia chromosomu 18 sekwencjami syntetycznymi. Zamierzają wygenerować cały syntetyczny genom mchu w ciągu 10 lat.

To ambitny cel. W porównaniu z genomem drożdży, którego przepisanie zajęło 18 lat i globalną współpracą, genom mchu jest 40 razy większy. Jednak dzięki coraz wydajniejszym i tańszym technologiom odczytu i syntezy DNA cel nie jest poza zasięgiem.

Podobne techniki mogą również zainspirować inne projekty mające na celu przeprojektowanie chromosomów w organizmach innych niż bakterie i drożdże, od roślin po zwierzęta.

Kredytowych Image: Pyrex / Wikimedia Commons

• Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
• PlatoData.Network Pionowe generatywne AI. Wzmocnij się. Dostęp tutaj.
• PlatoAiStream. Inteligencja Web3. Wiedza wzmocniona. Dostęp tutaj.
• PlatonESG. Węgiel Czysta technologia, Energia, Środowisko, Słoneczny, Gospodarowanie odpadami. Dostęp tutaj.
• Platon Zdrowie. Inteligencja w zakresie biotechnologii i badań klinicznych. Dostęp tutaj.
• Źródło: https://singularityhub.com/2024/02/08/partially-synthetic-moss-paves-the-way-for-plants-with-designer-genomes/