Όλες οι αλληλουχίες DNA μορφών ζωής που μελετήθηκαν από επιστήμονες αποθηκεύονται σε μια βάση δεδομένων που ανήκει στο Εθνικό Κέντρο Πληροφοριών Βιοτεχνολογίας στις Ηνωμένες Πολιτείες. Και την 1η Απριλίου, μια νέα καταχώρηση εμφανίστηκε στη βάση δεδομένων: «Caulobacter ethensis-2.0». Αυτό είναι το πρώτο στον κόσμο πλήρως μοντελοποιημένο σε υπολογιστή και στη συνέχεια συνθετικό συνθετικό γονιδίωμα ενός ζωντανού οργανισμού, που αναπτύχθηκε από επιστήμονες από το ETH Zurich (ETH Zurich). Ωστόσο, πρέπει να τονιστεί ότι αν και το γονιδίωμα του C. ethensis-2.0 ελήφθη με επιτυχία με τη μορφή μεγάλου μορίου DNA, αντίστοιχος ζωντανός οργανισμός δεν υπάρχει ακόμη.
Η ερευνητική εργασία πραγματοποιήθηκε από τον Beat Christen, καθηγητή βιολογίας πειραματικών συστημάτων, και τον αδελφό του Matthias Christen, χημικό. Το νέο γονιδίωμα, που ονομάζεται Caulobacter ethensis-2.0, δημιουργήθηκε με τον καθαρισμό και τη βελτιστοποίηση του φυσικού κώδικα του βακτηρίου Caulobacter crescentus, ενός αβλαβούς βακτηρίου που ζει σε γλυκό νερό σε όλο τον κόσμο.
Πριν από περισσότερο από μια δεκαετία, μια ομάδα με επικεφαλής τον γενετιστή Craig Venter δημιούργησε το πρώτο «συνθετικό» βακτήριο. Κατά τη διάρκεια της εργασίας τους, οι επιστήμονες συνέθεσαν ένα αντίγραφο του γονιδιώματος Mycoplasma mycoides, στη συνέχεια εμφυτεύτηκε σε ένα κύτταρο φορέα, το οποίο στη συνέχεια αποδείχθηκε πλήρως βιώσιμο και διατήρησε την ικανότητα να αναπαραχθεί.
Η νέα μελέτη συνεχίζει το έργο του Kreiger. Αν προηγουμένως οι επιστήμονες δημιούργησαν ένα ψηφιακό μοντέλο του DNA ενός πραγματικού οργανισμού και συνέθεσαν ένα μόριο με βάση αυτό, το νέο έργο προχωρά παραπέρα, χρησιμοποιώντας τον αρχικό κώδικα DNA. Οι επιστήμονες το επεξεργάστηκαν εκτενώς πριν το συνθέσουν και δοκιμάσουν τη λειτουργικότητά του.
Οι ερευνητές ξεκίνησαν με το αρχικό γονιδίωμα του C. crescentus, το οποίο περιέχει 4000 γονίδια. Όπως συμβαίνει με οποιονδήποτε ζωντανό οργανισμό, τα περισσότερα από αυτά τα γονίδια δεν φέρουν καμία πληροφορία και είναι «άχρηστο DNA». Μετά την ανάλυση, οι επιστήμονες κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι μόνο περίπου 680 από αυτά είναι απαραίτητα για τη διατήρηση της ζωής των βακτηρίων στο εργαστήριο.
Μετά την αφαίρεση του ανεπιθύμητου DNA και την απόκτηση ενός ελάχιστου γονιδιώματος του C. crescentus, η ομάδα συνέχισε τη δουλειά της. Το DNA των ζωντανών οργανισμών χαρακτηρίζεται από την παρουσία ενσωματωμένου πλεονασμού, ο οποίος συνίσταται στο γεγονός ότι η σύνθεση της ίδιας πρωτεΐνης κωδικοποιείται από διαφορετικά γονίδια σε πολλά τμήματα της αλυσίδας. Οι ερευνητές αντικατέστησαν περισσότερα από το 1/6 των 800 γραμμάτων DNA σε μια βελτιστοποίηση για την αφαίρεση διπλού κώδικα.
«Χάρη στον αλγόριθμό μας, έχουμε ξαναγράψει εντελώς το γονιδίωμα σε μια νέα ακολουθία γραμμάτων DNA που δεν είναι πλέον παρόμοια με την αρχική», λέει ο Beat Christen, συν-επικεφαλής της μελέτης. «Ταυτόχρονα, η βιολογική λειτουργία στο επίπεδο της πρωτεϊνοσύνθεσης παρέμεινε αμετάβλητη».
Για να ελέγξουν εάν η προκύπτουσα αλυσίδα θα λειτουργούσε σωστά σε ένα ζωντανό κύτταρο, οι ερευνητές ανέπτυξαν ένα στέλεχος βακτηρίων που είχε τόσο το φυσικό γονιδίωμα Caulobacter όσο και τμήματα του τεχνητού γονιδιώματος στο DNA του. Οι επιστήμονες απενεργοποίησαν μεμονωμένα φυσικά γονίδια και δοκίμασαν την ικανότητα των τεχνητών ομολόγων τους να επιτελούν τον ίδιο βιολογικό ρόλο. Το αποτέλεσμα ήταν αρκετά εντυπωσιακό: περίπου 580 από τα 680 τεχνητά γονίδια αποδείχθηκαν λειτουργικά.
«Με τη γνώση που αποκτήσαμε, θα είμαστε σε θέση να βελτιώσουμε τον αλγόριθμό μας και να αναπτύξουμε μια νέα έκδοση του γονιδιώματος 3.0», λέει η Kristen. «Πιστεύουμε ότι στο εγγύς μέλλον θα δημιουργήσουμε ζωντανά βακτηριακά κύτταρα με ένα εντελώς συνθετικό γονιδίωμα».
Στο πρώτο στάδιο, τέτοιες μελέτες θα βοηθήσουν τους γενετιστές να ελέγξουν την ακρίβεια των γνώσεών τους στον τομέα της κατανόησης του DNA και του ρόλου των μεμονωμένων γονιδίων σε αυτό, καθώς οποιοδήποτε σφάλμα στη σύνθεση της αλυσίδας θα οδηγήσει στο γεγονός ότι ο οργανισμός με το νέο γονιδίωμα θα πεθάνει ή θα είναι ελαττωματικό. Στο μέλλον θα οδηγήσουν στην εμφάνιση συνθετικών μικροοργανισμών που θα δημιουργηθούν για προκαθορισμένες εργασίες. Οι τεχνητοί ιοί θα μπορούν να καταπολεμήσουν τους φυσικούς τους συγγενείς και ειδικά βακτήρια θα παράγουν βιταμίνες ή φάρμακα.
Η μελέτη δημοσιεύτηκε στο περιοδικό PNAS.
Πηγή: 3dnews.ru