Mușchi parțial sintetic deschide calea plantelor cu genomi de designer

Biologia sintetică rescrie deja viața.

La sfârșitul anului 2023, oamenii de știință a dezvăluit celule de drojdie cu jumătate din modelul lor genetic înlocuit cu ADN artificial. A fost un moment de „încrucișare” într-un Proiect de 18 ani pentru a proiecta versiuni alternative ale fiecărui cromozom de drojdie. În ciuda faptului că aveau șapte cromozomi și jumătate sintetici, celulele s-au reprodus și au prosperat.

Un nou studiu ne mută pe scara evolutivă până la plantele de proiectare.

Pentru un proiect numit SynMoss, o echipă din China a reproiectat o parte dintr-un singur cromozom dintr-un tip de mușchi. Planta parțial sintetică rezultată a crescut normal și a produs spori, făcând-o una dintre primele viețuitoare cu mai multe celule care poartă un cromozom parțial artificial.

Modificările personalizate în cromozomii plantei sunt relativ mici în comparație cu drojdia sintetică. Dar este un pas către reproiectarea completă a genomilor în organismele de nivel superior.

Într-un interviu cu Ştiinţă, biologul sintetic Dr. Tom Ellis de la Colegiul Imperial din Londra a spus că este „un semnal de alarmă pentru oamenii care cred că genomurile sintetice sunt doar pentru microbi”.

Îmbunătățirea vieții

Eforturile de a rescrie viața nu sunt doar pentru a satisface curiozitatea științifică.

Schimbul cu ADN-ul ne poate ajuta să descifrăm istoria evolutivă și să identificăm cu precizie porțiuni critice de ADN care mențin cromozomii stabili sau provoacă boli. Experimentele ne-ar putea ajuta, de asemenea, să înțelegem mai bine „materia întunecată” a ADN-ului. Așezate pe tot genomul, secvențele misterioase care nu codifică proteine ​​i-au derutat de mult pe oamenii de știință: sunt ele utile sau doar rămășițe ale evoluției?

Organismele sintetice facilitează, de asemenea, proiectarea viețuitoarelor. Bacteriile și drojdia, de exemplu, sunt deja folosite pentru a produce bere și pentru a pompa medicamente care salvează vieți, cum ar fi insulina. Prin adăugarea, schimbarea sau ștergerea unor părți ale genomului, este posibil să le oferim acestor celule noi capacități.

Într-un studiu recent, de exemplu, cercetătorii au reprogramat bacteriile pentru a sintetiza proteine ​​folosind blocuri de construcție a aminoacizilor nevăzute în natură. In alt Studiul, o echipă a transformat bacteriile în Terminator care măcina plasticul, care reciclează deșeurile de plastic în materiale utile.

Deși sunt impresionante, bacteriile sunt formate din celule, spre deosebire de ale noastre – materialul lor genetic plutește, făcându-le potențial mai ușor de reconectat.

Proiect de drojdie sintetică a fost o descoperire. Spre deosebire de bacterii, drojdia este o celulă eucariotă. Plantele, animalele și oamenii se încadrează în această categorie. ADN-ul nostru este protejat într-o bulă asemănătoare unei nuci numită nucleu, ceea ce face mai dificil de modificat pentru biologii sintetici.

Și în ceea ce privește eucariotele, plantele sunt mai greu de manipulat decât drojdia - un organism unicelular - deoarece conțin mai multe tipuri de celule care coordonează creșterea și reproducerea. Modificările cromozomiale se pot desfășura diferit în funcție de modul în care funcționează fiecare celulă și, la rândul lor, afectează sănătatea plantei.

„Sinteza genomului în organismele multicelulare rămâne un teritoriu neexplorat”, a scris echipa în lucrarea lor.

Slow și Stabil

În loc să construiască un genom complet nou de la zero, echipa a lucrat cu genomul de mușchi existent.

Acest puf verde a fost studiat pe larg în laborator. O analiză timpurie din genomul mușchiului a constatat că are 35,000 de gene potențiale - uimitor de complex pentru o plantă. Toți cei 26 de cromozomi ai săi au fost complet secvențiați.

Din acest motiv, planta este un „model utilizat pe scară largă în studii de dezvoltare evolutivă și biologice celulare”, a scris echipa.

Genele mușchilor se adaptează ușor la schimbările de mediu, în special la cele care repară deteriorarea ADN-ului de la lumina soarelui. În comparație cu alte plante - cum ar fi cresonul thale, un alt model pe care biologii îl favorizează - mușchiul are capacitatea încorporată de a tolera schimbări mari de ADN și de a se regenera mai repede. Ambele aspecte sunt „esențiale” atunci când rescrieți genomul, a explicat echipa.

Un alt avantaj? Mușchiul poate crește într-o plantă plină dintr-o singură celulă. Această abilitate este un scenariu de vis pentru biologii sintetici, deoarece modificarea genelor sau cromozomilor dintr-o singură celulă poate schimba un întreg organism.

La fel ca al nostru, cromozomii plantelor arată ca un „X” cu două brațe încrucișate. Pentru acest studiu, echipa a decis să rescrie cel mai scurt braț de cromozom din plantă - cromozomul 18. Era încă un proiect mamut. Anterior, cel mai mare înlocuitor era de doar aproximativ 5,000 de litere ADN; noul studiu trebuia să înlocuiască peste 68,000 de litere.

Înlocuirea secvențelor naturale de ADN cu „fragmentele sintetice mari reproiectate a prezentat o provocare tehnică formidabilă”, a scris echipa.

Au adoptat o strategie de împărțire și cucerire. Ei au proiectat mai întâi bucăți medii de ADN sintetic, înainte de a le combina într-o singură „mega-porțiune” de ADN din brațul cromozomului.

Cromozomul nou proiectat a avut câteva modificări notabile. A fost dezbrăcat de transpozoni sau „gene săritoare”. Aceste blocuri de ADN se mișcă în jurul genomului, iar oamenii de știință încă dezbat dacă sunt esențiale pentru funcțiile biologice normale sau dacă contribuie la boli. Echipa a adăugat, de asemenea, „etichete” ADN cromozomului pentru a-l marca ca sintetic și a făcut modificări în modul în care reglează fabricarea anumitor proteine.

În general, modificările au redus dimensiunea cromozomului cu aproape 56 la sută. După ce a introdus cromozomul de designer în celulele de mușchi, echipa le-a alimentat în plante adulte.

O floare semi-sintetică

Chiar și cu un genom puternic editat, mușchiul sintetic a fost surprinzător de normal. Plantele au crescut cu ușurință în tufișuri cu frunze cu mai multe ramuri și în cele din urmă au produs spori. Toate structurile de reproducere erau ca cele găsite în sălbăticie, ceea ce sugerează că plantele semisintetice aveau un ciclu de viață normal și s-ar putea reproduce.

De asemenea, plantele și-au menținut rezistența împotriva mediilor extrem de sărate - o adaptare utilă observată și la omologii lor naturali.

Dar mușchiul sintetic a avut unele ciudații epigenetice neașteptate. Epigenetica este știința modului în care celulele activează sau dezactivează genele. Partea sintetică a cromozomului a avut un profil epigenetic diferit față de mușchiul natural, cu gene mai activate decât de obicei. Acest lucru ar putea fi dăunător, potrivit echipei.

Mușchiul a oferit, de asemenea, perspective potențiale despre „materia întunecată” a ADN-ului, inclusiv transpozonii. Ștergerea acestor gene săritoare nu părea să dăuneze plantelor parțial sintetice, sugerând că ar putea să nu fie esențiale pentru sănătatea lor.

Mai practic, rezultatele ar putea stimularea eforturilor de biotehnologie folosind mușchi pentru a produce o gamă largă de proteine ​​terapeutice, inclusiv cele care combate bolile de inimă, vindecă rănile sau tratează accidentul vascular cerebral. Mușchiul este deja folosit pentru a sintetiza medicamente. Un genom parțial proiectat și-ar putea modifica metabolismul, ar putea crește rezistența împotriva infecțiilor și ar putea crește randamentul.

Următorul pas este înlocuirea întregului braț scurt al cromozomului 18 cu secvențe sintetice. Ei își propun să genereze un întreg genom de mușchi sintetic în termen de 10 ani.

Este un obiectiv ambițios. În comparație cu genomul drojdiei, care a durat 18 ani și o colaborare globală pentru a rescrie jumătate din el, genomul mușchiului este de 40 de ori mai mare. Dar cu tehnologiile de citire și sinteză ADN din ce în ce mai eficiente și mai ieftine, obiectivul nu este de ajuns.

Tehnici similare ar putea inspira și alte proiecte de reproiectare a cromozomilor din organisme dincolo de bacterii și drojdie, de la plante la animale.

Credit imagine: Pyrex / Wikimedia Commons

• Distribuție de conținut bazat pe SEO și PR. Amplifică-te astăzi.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Împuterniciți-vă. Accesați Aici.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Cunoștințe amplificate. Accesați Aici.
• PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Mediu inconjurator, Solar, Managementul deșeurilor. Accesați Aici.
• PlatoHealth. Biotehnologie și Inteligență pentru studii clinice. Accesați Aici.
• Sursa: https://singularityhub.com/2024/02/08/partially-synthetic-moss-paves-the-way-for-plants-with-designer-genomes/