לפני תשע שנים הודיעו מדענים אמריקאים בראשות הגנטיקאי קרייג ונטר שהם יצרו את הראשון
עם זאת, כמה שנים מאוחר יותר, מדענים זיהו את זההגנום של החיידק לא השתנה בצורה קיצונית. למרות זאת, עבודתם של מדענים סימנה את תחילתו של כיוון חדש בגנטיקה, העוסקת ביצירת אורגניזמים עם דנ"א הערוך במלואו.
E. coli E. coli
מדענים מפרויקט GP-write - הם כבר הצליחו ליצור עותקים מלאכותיים של 2 מתוך 16 הכרומוזומים המרכיבים את הגנום של זן אחד של שמרי אפייה. אבל ה-DNA של Mycoplasma mycoides מכיל רק 1.08 מיליון זוגות בסיסים, וכרומוזומי שמרים מכילים פחות ממיליון. ה-E. coli שאיתם עבדו גנטיקאים במעבדה לביולוגיה מולקולרית של אנגליה בקיימברידג' מכיל 4 מיליון בסיסים.
חוקרים בראשות ד"ר ג'ייסון צ'יןשבר את 4 מיליון הבסיסים הללו של Escherichia coli ל-37 פרגמנטים וסנתז אותם. הדגימה שהתקבלה דומה למקבילותיה הטבעיות, אך שורדת הודות לסט קטן יותר של כלים גנטיים.
מהו דנ"א ומדוע לסנתז אותו
קודם כל, כדאי להבין מהו DNA. זוהי חומצה deoxyribonucleic, שהיא החומר התורשתי של בני אדם ושל כל היצורים החיים.
כמעט בכל תא בגוף האדם יש אחדאותו דנ"א. רוב החומצה deoxyribonucleic הוא בגרעין התא (זה נקרא DNA גרעיני), אבל הוא נוכח כמות קטנה של המיטוכונדריה.
המידע בדנ"א מאוחסן כקוד המורכבמבין ארבעת הבסיסים הכימיים: אדנין (A), גואנין (G), ציטוזין (C), ותימין (T). הגנום האנושי מורכב משלושה מיליארד בסיסים, ויותר מ -99% מהבסיסים האלה זהים לכל האנשים. הסדר והרצף שלהם קובעים כיצד הגוף בנוי ומתוחזק - בדיוק כשאותיות האלפבית בנויות בסדר מסוים, יוצרות מילים ומשפטים.
בסיסי DNA מתחברים זה לזה -לדוגמה, A עם T ו-C עם G כדי ליצור יחידות הנקראות זוגות בסיסים. כל בסיס מחובר גם למולקולת סוכר ולמולקולת פוספט. ביחד, הבסיס, הסוכר והפוספט נקראים נוקלאוטיד.
נוקלאוטידים מסודרים בצורה של שני גדילים ארוכים היוצרים סליל כפול – כך אנחנו רגילים לחשוב על DNA.
דנ"א
המבנה של הסליל הכפול מזכיר במידה מסוימת סולם: זוגות בסיס מהווים מדרגות, ומולקולות הסוכר והפוספט יוצרות מנות צד אנכיות.
DNA מקופל לתא מכיל הוראותהכרחי לתפקודו. לדוגמה, כאשר תא צריך יותר חלבון לגדול, הוא קורא את ה- DNA המקודד את החלבון הרצוי. תרכובות אלה נקראות קודונים ונכתבים בשלושה אותיות - לדוגמה, TCG ו- TCA.
כמעט כל צורות החיים, ממדוזות ועד בני אדם,השתמש ב-64 קודונים. אבל רבים מהם עושים את אותה העבודה או חוזרים על תפקידיהם. בסך הכל 61 קודונים מרכיבים 20 חומצות אמינו טבעיות שניתן לחבר יחד כמו חרוזים על חוט כדי ליצור כל חלבון בטבע. שלושה קודונים נוספים פועלים כמעין בלם - הם אומרים לתא מתי החלבון מוכן והוא צריך להפסיק לייצר אותו.
קודונים משמשים לקביעת חומצות אמינו,מרכיבי החלבונים שהם מייצרים. TCA, למשל, מגדיר סרין, שפירושו "להוציא חומצת אמינו זו ממרק התא ולחבר אותה לחלבון שהתא מייצר". AAG מזהה ליזין. TAA פירושה הפסקת הוספת חומצות אמינו לחלבון הגדל. אבל AGT פירושו גם סרין, וכך גם AGC, TCT, TCC ו-TCG. אם הטבע היה יעיל, הוא היה משתמש ב-20 קודונים עבור 20 חומצות אמינו, ועוד אחד עבור "עצור".
חוקרים ניסו ליצור אורגניזם אופטימלי שכזה.
מה בדיוק עשתה הגנטיקה
קבוצה של מדענים מקיימברידג' חקרה את כולוקוד גנטי של זן E. coli וניתח את הפונקציות של כל הקודונים. לאחר מכן החליפו החוקרים את קודון הסרין ב-AGC, כל TCA (גם סרין) ב-AGT, וכל TAG (קודון עצור) ב-TAA.
בסך הכל, הם תרמו לדנ"א של E. coli 18 214 עריכות - הגנום שנוצר היה גוש ה- DNA הגדול ביותר שנוצר אי פעם על ידי היתוך מלאכותי. על הנייר, את ההקלטה של הגנום הערוך נראה כמו החוקרים החליטו להחליף מילה אחת נפוצה מאוד עותק דיגיטלי של הרומן מלחמה ושלום.
עם זאת, העבודה הקשה ביותר היתה לאסוףעותק כימי של הגנום שנכתב מחדש ולהחליף אותו עבור אורגניזמים החיים המקוריים. עבודה זו לקחה מדענים כשנתיים: כאשר כל קטע סינתטי החליף את הקוד המקורי, החוקרים הבחינו אם החיידקים יפעלו או ימותו.
"יש הרבה דרכים אפשריות לקידוד מחדשהגנום, אבל רבים מהם בעייתיים: התא מת. לדוגמה, קודונים נרדפים כביכול יכולים לייצר כמויות שונות של חלבון, ולפעמים חלבונים בעלי מאפיינים בלתי צפויים שהורגים את התא".
ג'ייסון צ'ין, המחבר הראשי של המחקר
חוקרים גילו תוכנית קידוד מחדשמה שאיפשר להחליף את הקוד המקורי בקוד מלאכותי ולהשאיר את ה-E. coli בחיים, למרות השימוש ב-59 קודונים במקום 61 ליצירת חומצות אמינו ושניים ולא 3 קודונים כדי לעצור את התהליך הזה.
לפיכך, המדענים הצליחו לצמצם את המספרקודונים מ 64 ל 61. זהו שיא חדש - עד עכשיו גנטיקאים הצליחו ליצור את החיידק Escherichia coli, אשר יכול לשרוד עם רק 63 קודונים במקום 64.
מה זה יוביל
המטרה העיקרית של יצירת הגנום הערוך -היכולת לתת לקודונים את היכולת לייצר את אחת מאות חומצות האמינו, בנוסף ל -20, שנקבעו בטבע. זה יאפשר לסנתז אנזימים חדשים וחלבונים אחרים.
"הטבע נתן לנו קבוצה מוגבלת של אנזימים,שאת מאפייניו למדנו לבצע לביצוע משימות מורכבות, החל בייצור גבינה ומיץ פירות, לייצור דלק ביולוגי וזיהוי סמנים בבדיקות ביולוגיות. אנחנו יכולים לעשות את כל זה עם סט של 20 חומצות אמינו - לדמיין את ההזדמנויות שאנחנו יכולים לקבל באמצעות 22 או יותר חומצות אמינו, "אמר סטאליס אליס, מומחה לביולוגיה סינתטית ב אימפריאל קולג 'בלונדון.
בין ההזדמנויות הללו הוא יצירת חדשמזון, הופעתם של הזדמנויות חדשות לתעשייה, וחשוב מכל, יצירת חיידקים עמידים לווירוסים. זה יאפשר רוקחים ליצור תרופות אשר יהיה יעיל יותר להתמודד עם וירוסים וחיידקים.
האם גילוי של מדענים נתן הזדמנויות אלה? לא. אבל היא התקדמה מאוד בניסיון ליצור גנום סינתטי לחלוטין של אורגניזם חי עם פונקציות שונות מהמקוריות.
"הם העלו את שדה הגנום הסינתטיאת הרמה החדשה, לא רק בהצלחה לאסוף את הגנום הסינתטי הגדול ביותר שנוצרו אי פעם, אלא גם לבצע את השינויים הגדולים ביותר על זה ", סיכמה אליס בראיון עם גארדיאן.