Vor neun Jahren gaben amerikanische Wissenschaftler unter der Leitung des Genetikers Craig Venter bekannt, dass sie das erste Tier geschaffen hatten
Einige Jahre später erkannten die Wissenschaftler dies jedochDas Genom des Bakteriums wurde nicht wirklich radikal verändert. Trotzdem markierte die Arbeit von Wissenschaftlern den Beginn einer neuen Richtung in der Genetik, die sich mit der Schaffung von Organismen mit vollständig bearbeiteter DNA befasst.
E. coli E. coli
Wissenschaftler ausProjekt GP-write – es ist ihnen bereits gelungen, künstliche Kopien von 2 der 16 Chromosomen zu erstellen, aus denen das Genom eines Bäckerhefestamms besteht. Aber die DNA von Mycoplasma mycoides enthält nur 1,08 Millionen Basenpaare, während Hefechromosomen weniger als 1 Million enthalten. Der E. coli, mit dem Genetiker im Molecular Biology Laboratory des Medical Research Council of England in Cambridge arbeiteten, enthält 4 Millionen Basen.
Forscher unter der Leitung von Dr. Jason Chinbrach diese 4 Millionen Basen von Escherichia coli in 37 Fragmente und synthetisierte sie. Das resultierende Exemplar ähnelt seinen natürlichen Gegenstücken, überlebt jedoch dank eines kleineren Satzes genetischer Werkzeuge.
Was ist DNA und warum synthetisiert man sie?
Zunächst lohnt es sich zu verstehen, was DNA ist. Es handelt sich um Desoxyribonukleinsäure, das Erbmaterial des Menschen und aller lebenden Organismen.
Fast jede Zelle im menschlichen Körper hat eine unddie gleiche DNA. Der größte Teil der Desoxyribonukleinsäure befindet sich im Zellkern (wird als Kern-DNA bezeichnet), ist jedoch in den Mitochondrien in geringer Menge vorhanden.
Informationen in DNA werden als Code bestehend gespeichertVon den vier chemischen Basen: Adenin (A), Guanin (G), Cytosin (C) und Thymin (T). Das menschliche Genom besteht aus ungefähr 3 Milliarden Basen, und mehr als 99% dieser Basen sind für alle Menschen gleich. Ihre Reihenfolge und Reihenfolge bestimmt, wie der Körper aufgebaut und aufrechterhalten wird - so wie die Buchstaben des Alphabets in einer bestimmten Reihenfolge aufgebaut sind und Wörter und Sätze bilden.
DNA-Basen paaren sich miteinander –zum Beispiel A mit T und C mit G, um Einheiten zu bilden, die Basenpaare genannt werden. Jede Base ist außerdem an ein Zuckermolekül und ein Phosphatmolekül gebunden. Zusammen werden Base, Zucker und Phosphat als Nukleotid bezeichnet.
Nukleotide sind in Form von zwei langen Strängen angeordnet, die eine Doppelhelix bilden – so sind wir es gewohnt, über DNA nachzudenken.
DNA
Die Struktur der Doppelhelix ähnelt einer Leiter: Basenpaare bilden Stufen und Zucker- und Phosphatmoleküle bilden vertikale Seitenteile.
In eine Zelle gefaltete DNA enthält Anweisungennotwendig für sein Funktionieren. Wenn eine Zelle beispielsweise mehr Protein zum Wachsen benötigt, liest sie die DNA, die das gewünschte Protein codiert. Solche Verbindungen heißen Codons und werden in drei Buchstaben geschrieben - zum Beispiel TCG und TCA.
Fast alle Lebensformen, von der Qualle bis zum Menschen,Verwenden Sie 64 Codons. Aber viele von ihnen erledigen die gleiche Aufgabe oder wiederholen ihre Funktion. Insgesamt 61 Codons bilden 20 natürlich vorkommende Aminosäuren, die wie Perlen auf einer Schnur aneinandergereiht werden können, um jedes Protein in der Natur zu bilden. Drei weitere Codons wirken als eine Art Bremse – sie teilen der Zelle mit, wann das Protein bereit ist und sie mit der Produktion aufhören muss.
Codons dienen zur Bestimmung von Aminosäuren,Bestandteile der Proteine, die sie produzieren. TCA definiert beispielsweise Serin, was bedeutet, „diese Aminosäure aus der Zellbrühe zu entnehmen und an das Protein zu binden, das die Zelle produziert“. AAG erkennt Lysin. TAA bedeutet, die Zugabe von Aminosäuren zum wachsenden Protein zu stoppen. AGT bedeutet aber auch Serin, ebenso wie AGC, TCT, TCC und TCG. Wenn die Natur effizient wäre, würde sie 20 Codons für 20 Aminosäuren verwenden, plus eines für „Stopp“.
Forscher versuchten, einen solchen optimierten Organismus zu schaffen.
Was genau hat die Genetik getan?
Eine Gruppe von Wissenschaftlern aus Cambridge hat das Ganze untersuchtden genetischen Code des E. coli-Stammes und analysierte die Funktionen aller Codons. Anschließend ersetzten die Forscher das Serin-Codon durch AGC, jedes TCA (ebenfalls Serin) durch AGT und jedes TAG (Stopp-Codon) durch TAA.
Insgesamt trugen sie zur DNA von E. bei. coli 18 214 edits - das entstandene genom war der größte durch künstliche fusion entstandene dna-block. Auf dem Papier sieht die Aufzeichnung des bearbeiteten Genoms so aus, als hätten die Forscher beschlossen, ein sehr verbreitetes Wort in einer digitalen Kopie des Romans Krieg und Frieden zu ersetzen.
Die schwierigste Arbeit war jedoch das SammelnChemische Kopie des umgeschriebenen Genoms und Austausch gegen das Original in lebenden Organismen. Diese Arbeit dauerte ungefähr zwei Jahre: Als jedes synthetische Fragment den ursprünglichen Code ersetzte, beobachteten die Forscher, ob die Bakterien funktionieren oder sterben würden.
„Es gibt viele Möglichkeiten zur NeukodierungGenom, aber viele davon sind problematisch: Die Zelle stirbt. Beispielsweise können vermeintlich synonyme Codons unterschiedliche Mengen an Protein produzieren, und manchmal auch Proteine mit unerwarteten Eigenschaften, die die Zelle töten.“
Jason Chin, Hauptautor der Studie
Forscher haben ein Umkodierungsschema entdecktDies ermöglichte es, den ursprünglichen Code durch einen künstlichen zu ersetzen und E. coli am Leben zu erhalten, obwohl 59 statt 61 Codons zur Erzeugung von Aminosäuren und zwei statt drei Codons verwendet wurden, um diesen Prozess zu stoppen.
So konnten Wissenschaftler die Zahl reduzierenCodons von 64 bis 61. Dies ist ein neuer Rekord - bis jetzt ist es den Genetikern gelungen, das Bakterium Escherichia coli zu schaffen, das mit nur 63 Codons anstelle von 64 überleben konnte.
Wohin wird es führen?
Der Hauptzweck der Erstellung eines bearbeiteten Genoms -die Fähigkeit, Codons die Fähigkeit zu geben, zusätzlich zu 20 eine der Hunderten von Aminosäuren zu erzeugen, die von der Natur festgelegt wurden. Dadurch können neue Enzyme und andere Proteine synthetisiert werden.
"Die Natur hat uns einen begrenzten Satz von Enzymen gegeben,deren Eigenschaften wir für die Durchführung komplexer Aufgaben gelernt haben, die von der Herstellung von Käse und Fruchtsäften über die Herstellung von Biokraftstoffen bis hin zum Nachweis von Markern in biologischen Tests reichen. All dies können wir mit einem Satz von 20 Aminosäuren erreichen - stellen Sie sich vor, welche Möglichkeiten sich aus der Verwendung von 22 oder mehr Aminosäuren ergeben “, sagte Stat Ellis, Experte für synthetische Biologie am Imperial College London.
Zu diesen Möglichkeiten gehört die Schaffung neuer MöglichkeitenLebensmittel, die Entstehung neuer Möglichkeiten für die Industrie und vor allem die Schaffung von Bakterien, die gegen Viren resistent sind. Auf diese Weise können Apotheker Medikamente entwickeln, die wirksamer gegen Viren und Bakterien vorgehen.
Hat die Entdeckung der Wissenschaftler diese Möglichkeiten eröffnet? Nein. Bei dem Versuch, ein vollständig synthetisches Genom eines lebenden Organismus mit anderen Funktionen als den ursprünglichen zu schaffen, wurden jedoch große Fortschritte erzielt.
"Sie haben das Gebiet der synthetischen Genomik weiterentwickeltDie neue Ebene sammelt nicht nur erfolgreich das größte synthetische Genom, das jemals geschaffen wurde, sondern ändert es auch am meisten “, schloss Alice in einem Interview mit The Guardian.