Negen jaar geleden maakten Amerikaanse wetenschappers onder leiding van geneticus Craig Venter bekend dat ze de eerste hadden gecreëerd
Een paar jaar later onderkenden wetenschappers dat echterhet genoom van de bacterie was niet echt radicaal veranderd. Desondanks markeerde het werk van wetenschappers het begin van een nieuwe richting in de genetica, wat organismen met volledig bewerkt DNA creëert.
E. coli E. coli
Wetenschappers vanproject GP-schrijven - ze zijn er al in geslaagd kunstmatige kopieën te maken van 2 van de 16 chromosomen waaruit het genoom van één stam bakkersgist bestaat. Maar het DNA van Mycoplasma mycoides bevat slechts 1,08 miljoen basenparen, en de gistchromosomen bevatten minder dan 1 miljoen. De E. coli waarmee genetici werkten bij de Medical Research Council van het Engelse Molecular Biology Laboratory in Cambridge bevat 4 miljoen basen.
Onderzoekers onder leiding van Dr. Jason Chinbrak deze 4 miljoen basen van Escherichia coli in 37 fragmenten en synthetiseerde deze. Het resulterende exemplaar lijkt op zijn natuurlijke tegenhangers, maar overleeft dankzij een kleiner aantal genetische hulpmiddelen.
Wat is DNA en waarom het te synthetiseren
Allereerst is het de moeite waard om te begrijpen wat DNA is. Het is deoxyribonucleïnezuur, het erfelijke materiaal van mensen en alle levende organismen.
Bijna elke cel in het menselijk lichaam heeft er één enhetzelfde DNA. Het grootste deel van het deoxyribonucleïnezuur bevindt zich in de celkern (het wordt nucleair DNA genoemd), maar het is in een kleine hoeveelheid aanwezig in de mitochondriën.
Informatie in DNA wordt opgeslagen als een bestaande codeVan de vier chemische basen: adenine (A), guanine (G), cytosine (C) en thymine (T). Het menselijk genoom bestaat uit ongeveer 3 miljard basen en meer dan 99% van deze basen zijn hetzelfde voor alle mensen. Hun volgorde en volgorde bepalen hoe het lichaam wordt gebouwd en onderhouden - net zoals de letters van het alfabet in een bepaalde volgorde worden gebouwd, waarbij woorden en zinnen worden gevormd.
DNA-basen paren met elkaar -bijvoorbeeld A met T en C met G om eenheden te vormen die basenparen worden genoemd. Elke base is ook gebonden aan een suikermolecuul en een fosfaatmolecuul. Samen worden de base, suiker en fosfaat een nucleotide genoemd.
Nucleotiden zijn gerangschikt in de vorm van twee lange strengen die een dubbele helix vormen - zo zijn we gewend om over DNA te denken.
DNA
De structuur van de dubbele helix doet enigszins denken aan een ladder: baseparen vormen stappen en suiker- en fosfaatmoleculen vormen verticale zijgedeelten.
DNA gevouwen in een cel bevat instructiesnoodzakelijk voor zijn functioneren. Wanneer een cel bijvoorbeeld meer proteïnen nodig heeft om te groeien, leest deze het DNA dat codeert voor het gewenste eiwit. Dergelijke verbindingen worden codons genoemd en zijn geschreven in drie letters - bijvoorbeeld TCG en TCA.
Bijna alle levensvormen, van kwallen tot mensen,gebruik 64 codons. Maar velen van hen doen hetzelfde werk of herhalen hun functies. Een totaal van 61 codons vormen 20 natuurlijk voorkomende aminozuren die als kralen aan een touw aan elkaar kunnen worden geregen om elk eiwit in de natuur te creëren. Nog drie codons fungeren als een soort rem: ze vertellen de cel wanneer het eiwit klaar is en moet stoppen met het maken ervan.
Codons worden gebruikt om aminozuren te bepalen,bestanddelen van de eiwitten die ze produceren. TCA definieert bijvoorbeeld serine, wat betekent ‘dit aminozuur uit de celbouillon halen en het hechten aan het eiwit dat de cel maakt’. AAG detecteert lysine. TAA betekent het stoppen van de toevoeging van aminozuren aan het groeiende eiwit. Maar AGT betekent ook serine, net als AGC, TCT, TCC en TCG. Als de natuur efficiënt zou zijn, zou ze 20 codons gebruiken voor 20 aminozuren, plus één voor "stop".
Onderzoekers probeerden zo'n geoptimaliseerd organisme te creëren.
Wat deed de genetica precies
Een groep wetenschappers uit Cambridge bestudeerde het geheelgenetische code van de E. coli-stam en analyseerde de functies van alle codons. Vervolgens vervingen de onderzoekers het serinecodon door AGC, elke TCA (ook serine) door AGT en elke TAG (stopcodon) door TAA.
In totaal hebben ze bijgedragen aan het DNA van E. coli 18 214 bewerkingen - het resulterende genoom was het grootste DNA-blok ooit gemaakt door kunstmatige fusie. Op papier lijkt de opname van het bewerkte genoom te lijken op de beslissing van de onderzoekers om een heel gewoon woord te vervangen in een digitale versie van de roman Oorlog en Vrede.
Het moeilijkste werk was echter om te verzamelenchemische kopie van het herschreven genoom en deze uitwisselen voor de originele inwendige organismen. Dit werk kostte wetenschappers ongeveer twee jaar: wanneer elk synthetisch fragment de oorspronkelijke code verving, observeerden de onderzoekers of de bacteriën zouden functioneren of zouden sterven.
"Er zijn veel manieren om te hercoderengenoom, maar veel ervan zijn problematisch: de cel sterft. Zogenaamd synonieme codons kunnen bijvoorbeeld verschillende hoeveelheden eiwitten produceren, en soms eiwitten met onverwachte eigenschappen die de cel doden."
Jason Chin, hoofdauteur van de studie
Onderzoekers hebben een opnameschema ontdektwaardoor het mogelijk werd de oorspronkelijke code te vervangen door een kunstmatige code en E. coli in leven te houden, ondanks het gebruik van 59 codons in plaats van 61 om aminozuren te genereren en twee in plaats van 3 codons om dit proces te stoppen.
Daardoor konden wetenschappers het aantal verminderencodons van 64 tot 61. Dit is een nieuw record - tot nu toe slaagden genetici erin om de bacterie Escherichia coli te maken, die kon overleven met slechts 63 codons in plaats van 64.
Waar gaat het naartoe?
Het belangrijkste doel van het maken van een bewerkt genoom -het vermogen om codons de mogelijkheid te geven een van de honderden aminozuren te genereren, naast 20, vastgelegd door de natuur. Dit maakt het mogelijk om nieuwe enzymen en andere eiwitten te synthetiseren.
"De natuur heeft ons een beperkte reeks enzymen gegeven,waarvan we de eigenschappen hebben geleerd om complexe taken uit te voeren, variërend van de productie van kaas en vruchtensap tot de productie van biobrandstoffen en de detectie van markers in biologische tests. We kunnen dit allemaal doen met een set van 20 aminozuren - stel je voor welke kansen we kunnen krijgen door het gebruik van 22 of meer aminozuren, "zei Stat Ellis, een expert in synthetische biologie aan het Imperial College in Londen.
Een van deze kansen is het creëren van nieuwevoedsel, de opkomst van nieuwe kansen voor de industrie en, nog belangrijker, de oprichting van bacteriën die resistent zijn tegen virussen. Hierdoor kunnen apothekers medicijnen maken die effectiever omgaan met virussen en bacteriën.
Heeft de ontdekking van wetenschappers deze kansen geboden? Nee. Maar het heeft grote vooruitgang geboekt in de poging om een volledig synthetisch genoom van een levend organisme te creëren met andere functies dan de oorspronkelijke.
"Ze brachten het veld van synthetische genomica op de kaarthet nieuwe niveau, niet alleen met succes het grootste synthetische genoom dat ooit is gemaakt, maar ook de grootste veranderingen erin, "concludeerde Alice in een interview met The Guardian.