มอสสังเคราะห์บางส่วนปูทางให้กับพืชด้วยจีโนมที่ออกแบบ

ชีววิทยาสังเคราะห์กำลังเขียนชีวิตใหม่อยู่แล้ว

ในช่วงปลายปี 2023 นักวิทยาศาสตร์ เผยให้เห็นเซลล์ยีสต์ โดยพิมพ์เขียวทางพันธุกรรมครึ่งหนึ่งถูกแทนที่ด้วย DNA เทียม มันเป็นช่วงเวลา "ลุ่มน้ำ" ใน โครงการที่ยาวนาน 18 ปี เพื่อออกแบบโครโมโซมของยีสต์ทุกเวอร์ชันแบบสลับกัน แม้จะมีโครโมโซมสังเคราะห์เจ็ดและครึ่ง แต่เซลล์เหล่านี้ก็สามารถสืบพันธุ์และเจริญเติบโตได้

การศึกษาใหม่ ทำให้เราก้าวขึ้นบันไดแห่งวิวัฒนาการไปสู่การออกแบบต้นไม้

สำหรับโครงการที่เรียกว่า SynMoss ทีมงานในประเทศจีนได้ออกแบบส่วนหนึ่งของโครโมโซมเดี่ยวในมอสประเภทใหม่ พืชสังเคราะห์บางส่วนที่ได้จะเติบโตตามปกติและสร้างสปอร์ ทำให้เป็นหนึ่งในสิ่งมีชีวิตกลุ่มแรกๆ ที่มีเซลล์หลายเซลล์ที่มีโครโมโซมเทียมบางส่วน

การเปลี่ยนแปลงที่กำหนดเองในโครโมโซมของพืชนั้นค่อนข้างน้อยเมื่อเทียบกับยีสต์สังเคราะห์ แต่มันเป็นก้าวหนึ่งสู่การออกแบบจีโนมใหม่ทั้งหมดในสิ่งมีชีวิตระดับสูงขึ้น

ในการสัมภาษณ์กับ วิทยาศาสตร์นักชีววิทยาสังเคราะห์ ดร. ทอม เอลลิส จากอิมพีเรียลคอลเลจลอนดอน กล่าวว่านี่เป็น "การปลุกคนที่คิดว่าจีโนมสังเคราะห์มีไว้สำหรับจุลินทรีย์เท่านั้น"

การอัพเกรดชีวิต

ความพยายามในการเขียนชีวิตใหม่ไม่ได้เป็นเพียงเพื่อสนองความอยากรู้อยากเห็นทางวิทยาศาสตร์เท่านั้น

การซ่อมแซม DNA สามารถช่วยให้เราถอดรหัสประวัติศาสตร์วิวัฒนาการและระบุขอบเขตวิกฤตของ DNA ที่ทำให้โครโมโซมคงที่หรือก่อให้เกิดโรค การทดลองยังสามารถช่วยให้เราเข้าใจ "สสารมืด" ของ DNA ได้ดีขึ้น ลำดับลึกลับที่ไม่ได้เข้ารหัสโปรตีนกระจัดกระจายไปทั่วจีโนมทำให้นักวิทยาศาสตร์งงงันมานาน: พวกมันมีประโยชน์หรือเป็นเพียงเศษของวิวัฒนาการ?

สิ่งมีชีวิตสังเคราะห์ยังทำให้การสร้างสิ่งมีชีวิตง่ายขึ้นอีกด้วย ตัวอย่างเช่น แบคทีเรียและยีสต์ถูกนำมาใช้ในการต้มเบียร์และสูบจ่ายยาช่วยชีวิต เช่น อินซูลิน การเพิ่ม สลับ หรือลบบางส่วนของจีโนม ทำให้เซลล์เหล่านี้มีความสามารถใหม่ๆ ได้

ในการศึกษาล่าสุดชิ้นหนึ่งตัวอย่างเช่น นักวิจัยได้ตั้งโปรแกรมแบคทีเรียใหม่เพื่อสังเคราะห์โปรตีนโดยใช้ส่วนประกอบของกรดอะมิโนที่ไม่พบในธรรมชาติ ในอีก การศึกษานี้ ทีมงานได้เปลี่ยนแบคทีเรียให้กลายเป็นเครื่องกำจัดขยะพลาสติกที่รีไซเคิลขยะพลาสติกให้เป็นวัสดุที่มีประโยชน์

แม้ว่าจะน่าประทับใจ แต่แบคทีเรียนั้นถูกสร้างขึ้นจากเซลล์ที่แตกต่างจากเซลล์ของเรา เนื่องจากสารพันธุกรรมของพวกมันลอยอยู่รอบๆ ทำให้ง่ายต่อการต่อสายใหม่

พื้นที่ โครงการยีสต์สังเคราะห์ เป็นความก้าวหน้า ยีสต์เป็นเซลล์ยูคาริโอตต่างจากแบคทีเรีย พืช สัตว์ และมนุษย์ล้วนจัดอยู่ในหมวดหมู่นี้ DNA ของเราได้รับการปกป้องภายในฟองคล้ายถั่วที่เรียกว่านิวเคลียส ทำให้การปรับแต่งของนักชีววิทยาสังเคราะห์มีความท้าทายมากขึ้น

เท่าที่ศึกษาเกี่ยวกับยูคาริโอต พืชจะจัดการได้ยากกว่ายีสต์ ซึ่งเป็นสิ่งมีชีวิตเซลล์เดียว เนื่องจากมีเซลล์หลายประเภทที่ประสานการเจริญเติบโตและการสืบพันธุ์ การเปลี่ยนแปลงของโครโมโซมอาจแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับการทำงานของเซลล์แต่ละเซลล์ และส่งผลต่อสุขภาพของพืชด้วย

“การสังเคราะห์จีโนมในสิ่งมีชีวิตหลายเซลล์ยังคงเป็นอาณาเขตที่ไม่เคยมีมาก่อน” ทีมงานเขียนไว้ในรายงานของพวกเขา

ช้าและมั่นคง

แทนที่จะสร้างจีโนมใหม่ทั้งหมดตั้งแต่เริ่มต้น ทีมงานได้ปรับแต่งจีโนมของมอสที่มีอยู่

ฝอยสีเขียวนี้ได้รับการศึกษาอย่างกว้างขวางในห้องปฏิบัติการ การวิเคราะห์เบื้องต้น ของจีโนมมอสพบว่ามียีนที่มีศักยภาพถึง 35,000 ยีน ซึ่งซับซ้อนมากสำหรับพืช โครโมโซมทั้ง 26 โครโมโซมได้รับการเรียงลำดับอย่างสมบูรณ์

ด้วยเหตุนี้ พืชชนิดนี้จึงเป็น "แบบจำลองที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในการศึกษาพัฒนาการเชิงวิวัฒนาการและชีววิทยาของเซลล์" ทีมงานเขียน

ยีนของมอสสามารถปรับตัวให้เข้ากับการเปลี่ยนแปลงของสภาพแวดล้อมได้โดยง่าย โดยเฉพาะอย่างยิ่งยีนที่ซ่อมแซมความเสียหายของ DNA จากแสงแดด เมื่อเปรียบเทียบกับพืชชนิดอื่น เช่น สาหร่ายทะเล ที่นักชีววิทยาแบบจำลองอีกคนหนึ่งชื่นชอบ มอสมีความสามารถในตัวที่จะทนต่อการเปลี่ยนแปลง DNA ขนาดใหญ่และงอกใหม่ได้เร็วกว่า ทีมงานอธิบายทั้งสองด้านว่า "จำเป็น" เมื่อเขียนจีโนมใหม่

สิทธิพิเศษอื่น ๆ ? ตะไคร่น้ำสามารถเติบโตเป็นพืชที่สมบูรณ์ได้จากเซลล์เดียว ความสามารถนี้เป็นสถานการณ์ในฝันสำหรับนักชีววิทยาสังเคราะห์ เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงยีนหรือโครโมโซมในเซลล์เพียงเซลล์เดียวอาจเปลี่ยนแปลงสิ่งมีชีวิตทั้งหมดได้

เช่นเดียวกับโครโมโซมพืชของเรามีลักษณะเหมือนตัว "X" ที่มีแขนสองข้างไขว้กัน สำหรับการศึกษานี้ ทีมงานตัดสินใจเขียนแขนโครโมโซมที่สั้นที่สุดในโรงงานใหม่ ซึ่งก็คือโครโมโซม 18 ซึ่งยังคงเป็นโครงการขนาดมหึมา ก่อนหน้านี้ การแทนที่ที่ใหญ่ที่สุดคือตัวอักษร DNA เพียงประมาณ 5,000 ตัวเท่านั้น การศึกษาใหม่จำเป็นต้องแทนที่ตัวอักษรมากกว่า 68,000 ตัว

ทีมงานเขียนว่าการแทนที่ลำดับดีเอ็นเอตามธรรมชาติด้วย "ชิ้นส่วนสังเคราะห์ขนาดใหญ่ที่ออกแบบใหม่ทำให้เกิดความท้าทายทางเทคนิคที่น่าเกรงขาม"

พวกเขาใช้กลยุทธ์แบ่งแยกและพิชิต ในตอนแรกพวกเขาได้ออกแบบชิ้นดีเอ็นเอสังเคราะห์ขนาดกลาง ก่อนที่จะรวมเข้าด้วยกันเป็น DNA เดี่ยว “ชิ้นใหญ่” ของแขนโครโมโซม

โครโมโซมที่ออกแบบใหม่มีการเปลี่ยนแปลงที่โดดเด่นหลายประการ มันถูกถอดออกจาก transposons หรือ "ยีนกระโดด" บล็อกดีเอ็นเอเหล่านี้เคลื่อนที่ไปรอบๆ จีโนม และนักวิทยาศาสตร์ยังคงถกเถียงกันอยู่ว่าพวกมันจำเป็นต่อการทำงานทางชีววิทยาตามปกติหรือไม่ หรือมีส่วนทำให้เกิดโรคหรือไม่ ทีมงานยังเพิ่ม "แท็ก" DNA ให้กับโครโมโซมเพื่อทำเครื่องหมายว่าเป็นสารสังเคราะห์และทำการเปลี่ยนแปลงวิธีควบคุมการผลิตโปรตีนบางชนิด

โดยรวมแล้วการเปลี่ยนแปลงทำให้ขนาดของโครโมโซมลดลงเกือบ 56 เปอร์เซ็นต์ หลังจากใส่โครโมโซมดีไซเนอร์เข้าไปในเซลล์มอสแล้ว ทีมงานได้เลี้ยงดูพวกมันให้เป็นพืชที่โตเต็มวัย

ดอกครึ่งสังเคราะห์

แม้จะมีจีโนมที่ถูกแก้ไขอย่างหนัก แต่มอสสังเคราะห์ก็ยังเป็นเรื่องปกติอย่างน่าประหลาดใจ พืชเจริญเติบโตเป็นพุ่มใบที่มีกิ่งก้านหลายกิ่งและผลิตสปอร์ในที่สุด โครงสร้างการสืบพันธุ์ทั้งหมดเหมือนกับที่พบในป่า บ่งบอกว่าพืชกึ่งสังเคราะห์มีวงจรชีวิตปกติและอาจสืบพันธุ์ได้

พืชยังรักษาความยืดหยุ่นต่อสภาพแวดล้อมที่มีรสเค็มสูง ซึ่งเป็นการปรับตัวที่มีประโยชน์ซึ่งพบเห็นได้ในพืชที่มีลักษณะคล้ายกันตามธรรมชาติ

แต่มอสสังเคราะห์กลับมีนิสัยแปลกๆ ของอีพิเจเนติกส์ที่ไม่คาดคิด อีพีเจเนติกส์เป็นศาสตร์ที่ว่าเซลล์เปิดหรือปิดยีนได้อย่างไร ส่วนสังเคราะห์ของโครโมโซมมีลักษณะอีพีเจเนติกส์ที่แตกต่างกันเมื่อเปรียบเทียบกับมอสธรรมชาติ โดยมียีนที่ถูกกระตุ้นมากกว่าปกติ ทีมงานระบุว่าสิ่งนี้อาจเป็นอันตรายได้

ตะไคร่น้ำยังให้ข้อมูลเชิงลึกที่เป็นไปได้เกี่ยวกับ "สสารมืด" ของ DNA รวมถึงทรานสโพซอนด้วย การลบยีนกระโดดเหล่านี้ดูเหมือนจะไม่เป็นอันตรายต่อพืชสังเคราะห์บางส่วน ซึ่งบ่งชี้ว่าพวกมันอาจไม่จำเป็นต่อสุขภาพของพวกมัน

ในทางปฏิบัติแล้วผลลัพธ์ก็สามารถทำได้ เพิ่มความพยายามด้านเทคโนโลยีชีวภาพ การใช้ตะไคร่น้ำเพื่อผลิตโปรตีนรักษาโรคหลายชนิด รวมถึงโปรตีนที่ต่อสู้กับโรคหัวใจ รักษาบาดแผล หรือรักษาโรคหลอดเลือดสมอง มอสถูกนำมาใช้ในการสังเคราะห์ยารักษาโรคอยู่แล้ว จีโนมของนักออกแบบเพียงบางส่วนสามารถเปลี่ยนเมแทบอลิซึม เพิ่มความยืดหยุ่นต่อการติดเชื้อ และเพิ่มผลผลิต

ขั้นตอนต่อไปคือการแทนที่แขนสั้นของโครโมโซม 18 ทั้งหมดด้วยลำดับสังเคราะห์ พวกเขากำลังตั้งเป้าที่จะสร้างจีโนมมอสสังเคราะห์ทั้งหมดภายใน 10 ปี

มันเป็นเป้าหมายที่ทะเยอทะยาน เมื่อเทียบกับจีโนมของยีสต์ซึ่งใช้เวลา 18 ปีและความร่วมมือระดับโลกในการเขียนใหม่ครึ่งหนึ่ง จีโนมของมอสนั้นใหญ่กว่าถึง 40 เท่า แต่ด้วยเทคโนโลยีการอ่านและการสังเคราะห์ DNA ที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นและราคาถูกลง เป้าหมายก็อยู่ไม่ไกลเกินเอื้อม

เทคนิคที่คล้ายกันยังสามารถสร้างแรงบันดาลใจให้กับโครงการอื่นๆ ในการออกแบบโครโมโซมใหม่ในสิ่งมีชีวิตนอกเหนือจากแบคทีเรียและยีสต์ ตั้งแต่พืชสู่สัตว์

เครดิตภาพ: ไพเร็กซ์ / วิกิมีเดียคอมมอนส์

• เนื้อหาที่ขับเคลื่อนด้วย SEO และการเผยแพร่ประชาสัมพันธ์ รับการขยายวันนี้
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai เพิ่มพลังให้กับตัวเอง เข้าถึงได้ที่นี่.
• เพลโตไอสตรีม. Web3 อัจฉริยะ ขยายความรู้ เข้าถึงได้ที่นี่.
• เพลโตESG. คาร์บอน, คลีนเทค, พลังงาน, สิ่งแวดล้อม แสงอาทิตย์, การจัดการของเสีย. เข้าถึงได้ที่นี่.
• เพลโตสุขภาพ เทคโนโลยีชีวภาพและข่าวกรองการทดลองทางคลินิก เข้าถึงได้ที่นี่.
• ที่มา: https://singularityhub.com/2024/02/08/partially-synthetic-moss-paves-the-way-for-plants-with-designer-genomes/