גנום מחשב ראשון יכול להוביל לצורות חיים סינתטיות

כל רצפי ה-DNA של צורות חיים שנחקרו על ידי מדענים מאוחסנים במסד נתונים בבעלות המרכז הלאומי למידע ביוטכנולוגיה בארצות הברית. וב-1 באפריל, ערך חדש הופיע במסד הנתונים: "Caulobacter ethensis-2.0." זהו הגנום הסינטטי הראשון בעולם המבוסס על מודל ממוחשב ולאחר מכן מסונתז של אורגניזם חי, שפותח על ידי מדענים מ-ETH ציריך (ETH Zurich). עם זאת, יש להדגיש כי למרות שהגנום של C. ethensis-2.0 הושג בהצלחה בצורה של מולקולת DNA גדולה, אורגניזם חי תואם עדיין לא קיים.

עבודת המחקר בוצעה על ידי Beat Christen, פרופסור לביולוגיה מערכות ניסיונית, ואחיו מתיאס כריסטאן, כימאי. הגנום החדש, הנקרא Caulobacter ethensis-2.0, נוצר על ידי ניקוי ואופטימיזציה של הקוד הטבעי של החיידק Caulobacter crescentus, חיידק לא מזיק שחי במים מתוקים ברחבי העולם.  

לפני יותר מעשור, צוות בראשות הגנטיקאי קרייג ונטר יצר את החיידק ה"סינטטי" הראשון. במהלך עבודתם, מדענים סינתזו עותק של הגנום Mycoplasma mycoides, ולאחר מכן הוא הושתל בתא נשא, שהתברר כי הוא בר-קיימא לחלוטין ושמר על היכולת להתרבות את עצמו.

המחקר החדש ממשיך את עבודתו של קרייגר. אם בעבר מדענים יצרו מודל דיגיטלי של ה-DNA של אורגניזם אמיתי וסינתזו מולקולה על בסיסו, הפרויקט החדש הולך רחוק יותר, תוך שימוש בקוד ה-DNA המקורי. מדענים עיבדו אותו בהרחבה לפני סינתזה שלו ובדקו את הפונקציונליות שלו.

החוקרים התחילו עם הגנום המקורי של C. crescentus, המכיל 4000 גנים. כמו בכל אורגניזמים חיים, רוב הגנים הללו אינם נושאים מידע והם "דנ"א זבל". לאחר הניתוח הגיעו מדענים למסקנה שרק כ-680 מהם נחוצים כדי לשמור על חיי החיידקים במעבדה.

לאחר הסרת ה-DNA הזבל והשגת גנום מינימלי של C. crescentus, הצוות המשיך בעבודתו. ה-DNA של יצורים חיים מאופיין בנוכחות של יתירות מובנית, המורכבת מכך שהסינתזה של אותו חלבון מקודדת על ידי גנים שונים במספר חלקים בשרשרת. החוקרים החליפו יותר מ-1/6 מ-800 אותיות ה-DNA באופטימיזציה להסרת קוד כפול.

"בזכות האלגוריתם שלנו, שכתבנו לחלוטין את הגנום לרצף חדש של אותיות DNA שכבר לא דומה למקור", אומר ביט קריסטן, מחבר משותף של המחקר. "במקביל, התפקוד הביולוגי ברמת סינתזת החלבון נותר ללא שינוי".

כדי לבדוק אם השרשרת שהתקבלה תעבוד כראוי בתא חי, החוקרים גידלו זן של חיידקים שהיו ב-DNA שלו גם את הגנום הטבעי של Caulobacter וגם מקטעים של הגנום המלאכותי. מדענים כיבו גנים טבעיים בודדים ובדקו את יכולתם של עמיתיהם המלאכותיים לבצע את אותו תפקיד ביולוגי. התוצאה הייתה מרשימה למדי: כ-580 מתוך 680 גנים מלאכותיים התבררו כפונקציונליים.

"עם הידע שנצבר, נוכל לשפר את האלגוריתם שלנו ולפתח גרסה חדשה של הגנום 3.0", אומרת קריסטן. "אנו מאמינים שבעתיד הקרוב ניצור תאים חיידקיים חיים עם גנום סינתטי לחלוטין".

בשלב הראשון, מחקרים כאלה יסייעו לגנטיקאים לבדוק את דיוק הידע שלהם בתחום הבנת ה-DNA ותפקידם של גנים בודדים בו, שכן כל טעות בסינתזה של השרשרת תוביל לכך שהאורגניזם עם הגנום החדש ימות או יהיה פגום. בעתיד, הם יובילו להופעתם של מיקרואורגניזמים סינתטיים שייווצרו עבור משימות שנקבעו מראש. וירוסים מלאכותיים יוכלו להילחם בקרוביהם הטבעיים, וחיידקים מיוחדים ייצרו ויטמינים או תרופות.

המחקר פורסם בכתב העת PNAS.

מקור: 3dnews.ru