Delno sintetični mah utira pot rastlinam z oblikovalskimi genomi

Sintetična biologija že na novo piše življenje.

Konec leta 2023 so znanstveniki razkrile celice kvasovk s polovico njihovega genetskega načrta zamenjanega z umetno DNK. To je bil "prelomni" trenutek v 18 let trajajoč projekt za oblikovanje alternativnih različic vsakega kromosoma kvasovk. Čeprav so imele sedem in pol sintetičnih kromosomov, so se celice razmnoževale in uspevale.

Nova študija nas pomika po evolucijski lestvici do oblikovalskih rastlin.

Za projekt, imenovan SynMoss, je ekipa na Kitajskem preoblikovala del posameznega kromosoma v vrsti mahu. Nastala delno sintetična rastlina je normalno rasla in proizvajala trose, zaradi česar je bila ena prvih živih bitij z več celicami, ki so nosile delno umetni kromosom.

Spremembe po meri v kromosomih rastline so relativno majhne v primerjavi s sintetičnim kvasom. Toda to je korak k popolnemu preoblikovanju genomov v organizmih na višji ravni.

V intervjuju z Znanost, sintetični biolog dr. Tom Ellis z Imperial Collegea v Londonu je dejal, da je to "bujenje za ljudi, ki mislijo, da so sintetični genomi samo za mikrobe."

Nadgradnja življenja

Prizadevanja za ponovno pisanje življenja niso namenjena samo potešitvi znanstvene radovednosti.

Poigravanje z DNK nam lahko pomaga dešifrirati evolucijsko zgodovino in natančno določiti kritične dele DNK, ki ohranjajo kromosome stabilne ali povzročajo bolezni. Poskusi bi nam lahko pomagali tudi bolje razumeti "temno snov" DNK. Skrivnostna zaporedja, posejana po genomu, ki ne kodirajo beljakovin, so dolgo begala znanstvenike: Ali so uporabna ali le ostanek evolucije?

Sintetični organizmi tudi olajšajo ustvarjanje živih bitij. Bakterije in kvasovke se na primer že uporabljajo za varjenje piva in črpanje zdravil, ki rešujejo življenja, kot je insulin. Z dodajanjem, zamenjavo ali brisanjem delov genoma je mogoče tem celicam dati nove zmožnosti.

V eni nedavni študiji, na primer, so raziskovalci reprogramirali bakterije za sintetiziranje beljakovin z uporabo gradnikov aminokislin, ki jih v naravi ni. V drugem Študija je skupina spremenila bakterije v terminatorje, ki žvečijo plastiko in reciklirajo plastične odpadke v uporabne materiale.

Čeprav je impresivno, so bakterije narejene iz celic, za razliko od naših – njihov genetski material lebdi naokoli, zaradi česar jih je potencialno lažje preoblikovati.

O Projekt sintetičnega kvasa je bil preboj. Za razliko od bakterij je kvas evkariontska celica. Rastline, živali in ljudje spadajo v to kategorijo. Naša DNK je zaščitena znotraj oreščka podobnega mehurčka, imenovanega jedro, zaradi česar je za sintetične biologe težje prilagajanje.

In kar zadeva evkarionte, je z rastlinami težje manipulirati kot s kvasovkami – enoceličnimi organizmi – saj vsebujejo več tipov celic, ki usklajujejo rast in razmnoževanje. Kromosomske spremembe se lahko odvijajo različno, odvisno od delovanja posamezne celice in posledično vplivajo na zdravje rastline.

"Sinteza genoma v večceličnih organizmih ostaja neraziskano ozemlje," je ekipa zapisala v svojem prispevku.

Počasi in mirno

Namesto da bi iz nič zgradili popolnoma nov genom, se je ekipa lotila obstoječega genoma mahu.

To zeleno dlako so obsežno preučevali v laboratoriju. Zgodnja analiza genoma mahu je ugotovil, da ima 35,000 potencialnih genov, kar je presenetljivo zapleteno za rastlino. Vseh 26 njegovih kromosomov je bilo popolnoma sekvenciranih.

Iz tega razloga je rastlina "široko uporabljen model v evolucijskih razvojnih in celičnih bioloških študijah," je zapisala ekipa.

Geni mahu se zlahka prilagajajo okoljskim spremembam, zlasti tistim, ki popravljajo poškodbe DNK zaradi sončne svetlobe. V primerjavi z drugimi rastlinami – kot je thale kreša, še en model, ki mu biologi dajejo prednost – ima mah vgrajeno sposobnost, da prenaša velike spremembe DNK in se hitreje regenerira. Oba vidika sta "bistvena" pri prepisovanju genoma, je pojasnila ekipa.

Še ena ugodnost? Mah lahko iz ene same celice zraste v polno rastlino. Ta sposobnost je sanjski scenarij za sintetične biologe, saj lahko spreminjanje genov ali kromosomov v samo eni celici potencialno spremeni celoten organizem.

Tako kot naši kromosomi rastlin so videti kot "X" z dvema prekrižanima krakoma. Za to študijo se je ekipa odločila prepisati najkrajši kromosomski krak v rastlini – kromosom 18. To je bil še vedno mamutski projekt. Prej je bila največja zamenjava le okoli 5,000 črk DNK; nova študija je morala zamenjati več kot 68,000 črk.

Zamenjava naravnih zaporedij DNK s "preoblikovanimi velikimi sintetičnimi fragmenti je predstavljala izjemen tehnični izziv," je zapisala ekipa.

Izbrali so strategijo deli in vladaj. Najprej so zasnovali srednje velike dele sintetične DNK, preden so jih združili v en "megakos" DNK kromosomskega kraka.

Na novo oblikovan kromosom je imel več opaznih sprememb. Odstranjeni so bili transpozoni ali "skakajoči geni". Ti bloki DNK se premikajo po genomu in znanstveniki še vedno razpravljajo, ali so bistveni za normalne biološke funkcije ali prispevajo k bolezni. Ekipa je kromosomu dodala tudi "oznake" DNK, da bi ga označili kot sintetičnega, in spremenila, kako uravnava proizvodnjo določenih beljakovin.

Na splošno so spremembe zmanjšale velikost kromosoma za skoraj 56 odstotkov. Potem ko je oblikovalski kromosom vstavil v celice mahu, jih je ekipa vzgojila v odrasle rastline.

Napol sintetični cvet

Tudi z močno urejenim genomom je bil sintetični mah presenetljivo normalen. Rastline so zlahka zrasle v listnate grme z več vejami in sčasoma proizvedle trose. Vse reproduktivne strukture so bile podobne tistim, ki jih najdemo v divjini, kar nakazuje, da so imele polsintetične rastline normalen življenjski cikel in bi se potencialno lahko razmnoževale.

Rastline so ohranile tudi svojo odpornost proti zelo slanim okoljem – uporabna prilagoditev, ki jo opazimo tudi pri njihovih naravnih dvojnikih.

Toda sintetični mah je imel nekaj nepričakovanih epigenetskih posebnosti. Epigenetika je veda o tem, kako celice vklopijo ali izklopijo gene. Sintetični del kromosoma je imel drugačen epigenetski profil v primerjavi z naravnim mahom, z več aktiviranimi geni kot običajno. Po mnenju ekipe bi to lahko bilo škodljivo.

Mah je ponudil tudi potencialne vpoglede v "temno snov" DNK, vključno s transpozoni. Zdi se, da izbris teh skakajočih genov ni škodoval delno sintetičnim rastlinam, kar kaže, da morda niso bistveni za njihovo zdravje.

Bolj praktično bi lahko bili rezultati spodbujanje biotehnoloških prizadevanj uporabo mahu za proizvodnjo široke palete terapevtskih beljakovin, vključno s tistimi, ki se borijo proti srčnim boleznim, celijo rane ali zdravijo možgansko kap. Mah se že uporablja za sintezo zdravil. Delno oblikovan genom bi lahko spremenil njegov metabolizem, povečal njegovo odpornost proti okužbam in povečal donos.

Naslednji korak je zamenjava celotne kratke roke kromosoma 18 s sintetičnimi sekvencami. Njihov cilj je ustvariti celoten sintetični genom mahu v 10 letih.

To je ambiciozen cilj. V primerjavi z genomom kvasovk, ki je potreboval 18 let in globalno sodelovanje, da so ponovno napisali polovico, je genom mahu 40-krat večji. Toda z vse bolj učinkovitimi in cenejšimi tehnologijami za branje in sintezo DNK cilj ni nedosegljiv.

Podobne tehnike bi lahko navdihnile tudi druge projekte za preoblikovanje kromosomov v organizmih izven bakterij in kvasovk, od rastlin do živali.

Kreditno slike: Pyrex / Wikimedia Commons

• Distribucija vsebine in PR s pomočjo SEO. Okrepite se še danes.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Opolnomočite se. Dostopite tukaj.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Razširjeno znanje. Dostopite tukaj.
• PlatoESG. Ogljik, CleanTech, Energija, Okolje, sončna energija, Ravnanje z odpadki. Dostopite tukaj.
• PlatoHealth. Obveščanje o biotehnologiji in kliničnih preskušanjih. Dostopite tukaj.
• vir: https://singularityhub.com/2024/02/08/partially-synthetic-moss-paves-the-way-for-plants-with-designer-genomes/