211service.com
Hvordan man laver en kunstig celle
I sidste måned annoncerede forskere ved J. Craig Venter Institute, at de havde lavet den første syntetiske celle ved at sammenstykke et genom lavet af flaskekemikalier og transplantere det ind i en modtagercelle. Den skelsættende præstation repræsenterer et nyt niveau af kontrol over livets substans på molekylært niveau og en, der kan føre til måder at fremstille celler, der producerer vacciner i store mængder og renere brændstoffer.
Syntetiske celler: De bakteriekolonier, der vokser på disse petriskåle, indeholder et genom, der er modificeret på en computer og derefter stykket sammen i laboratoriet.
Selvom forskere understreger, at det vil vare år, før forskerne kan demonstrere det sande potentiale af disse teknikker til at konstruere liv, bruger de nu eksperimenterne til at øge den grundlæggende forståelse af cellebiologi.
Under en rundvisning i sidste uge af instituttets faciliteter i Rockville, MD, hvor eksperimenterne finder sted, forklarede forskere, at den syntetiske celle blev skabt som et resultat af et projekt for at lære, hvordan man laver en celle med det mindst mulige antal gener. Direkte. Håbet er, at vi ved at forstå de grundlæggende principper for cellulært liv vil være i stand til at få celler til at lave flere ting, siger John Glass , professor ved instituttet. Celler designet til at fremstille et bestemt kemikalie vil gøre det mere effektivt, hvis forskere kan eliminere enhver anden ikke-essentiel metabolisk proces. Jeg har altid gerne villet vide, hvordan celler fungerer, og nu har vi værktøjerne, siger han.
En måde at finde ud af, hvad det minimale genom er, ville være at starte med en mikrobe, der er nem at arbejde med i laboratoriet, såsom gær eller E coli , og slå hvert gen ud et ad gangen. Men denne proces tager meget lang tid. I stedet starter Venter-forskerne med en genomsekvens fra en bakterie, der allerede har et meget lille genom, ændrer det på computeren for at tilføje eller slette gener, syntetiserer det derefter fra kemikalier, transplanterer det ind i en celle og ser, hvordan ændringerne ændrer sig. påvirke cellens funktion. Opbygning af et genom på denne måde fremskynder instituttets forskning i minimale genomer, siger Daniel Gibson , lektor ved Venter Instituttet.
Det første skridt i at lave en syntetisk celle er at designe genomet. Denne proces sker på computeren med sekvensen på 1.077.947 bogstaver, der udgør bakteriens genom Mycoplasma mycoides . I deres indledende demonstrationseksperimenter slettede forskerne 15 gener. Og for at skabe et vandmærke, der adskiller det syntetiske genom fra det naturlige, lavede de også tilføjelser. Forskerne kodede deres navne, en URL, et par citater og en e-mail-adresse ind i DNA-alfabetet på fire bogstaver og føjede det til genomet.
Det er dyrt og tidskrævende i dag at syntetisere lange stykker DNA i laboratoriet. Så forskerne brugte et computerprogram til at skære genomet op i 1.100 stykker, hver omkring 1.080 basepar eller bogstaver lange. Computerprogrammet tilføjede klæbrige sekvenser i hver ende af hver skive, der ville gøre det muligt for stykkerne at blive sat sammen igen. Forskere sendte derefter disse 1.100 designs til et DNA-syntesefirma.
Institutforskere rekrutterer derefter gærceller til at sy de 1.100 fragmenter til et enkelt, cirkulært stykke DNA, der udgør det færdige syntetiske genom. Før gæren kan udføre deres arbejde, skal Gibsons gruppe gøre DNA-fragmenterne gærvenlige. Gibsons gruppe tilføjer først til hvert sæt DNA-fragmenter en kort sekvens af DNA, der trækker fragmenterne ind i en løkke og gør fragmenterne venlige over for gærceller, der er blevet behandlet for at gøre dem modtagelige for at opsluge DNA.
Gibson kombinerer gærcellerne i opløsning med ti typer DNA-fragmenter, som hver udgør en på hinanden følgende sekvens af Mycoplasma genom. Gærcellerne gør arbejdet med at sætte fragmenterne sammen igen. Denne proces gentages, indtil gæren samler større og større stykker af genomet. Til sidst vil nogle af gærcellerne have sammensat et komplet syntetisk genom. Efter at have testet for at verificere, at en koloni har hele bakteriegenomet, dyrker forskerne gæren i en kolbe for at give dem mulighed for at formere sig og producere genomet i store mængder.
Det næste trin er at udtrække det komplette syntetiske bakteriegenom fra gæren og transplantere det til bakterieceller. At udvinde genomet fra gær og transportere det er den vanskeligste del af processen. Mycoplasma-genomet er relativt lille, men det er et enormt molekyle. Forskydningskraften af vand, der bevæger sig rundt i de bare DNA-molekyler, kan trække det fra hinanden. Så forskerne immobiliserer DNA'et i en gelpellet og tager det med til et andet laboratorium, hvor transplantationsmodtagercellerne er blevet klargjort. Modtagercellerne af arten Mycoplasma capricolum , er en nær slægtning til de celler, hvis genom er grundlaget for det syntetiske genom. Gennem forsøg og fejl har forskerne fundet ud af, at der er en bestemt del af cellernes vækst- og delingscyklus, hvor de er mest tilbøjelige til at optage det fremmede DNA.
At få modtagercellerne til at optage det syntetiske genom er til dels et spørgsmål om tilfældigheder. En forsker blander modtagercellerne med en kemisk opløsning for at gøre deres overflader flydende og klistrede, og tilføjer derefter cellerne til DNA-opløsningen. Når de er blandet, begynder de klæbrige celler at fusionere med hinanden. For at bevare en sfærisk form, når deres overfladeareal øges, optager cellerne volumen fra opløsningen omkring dem. Ved et tilfælde, når de smelter sammen, tager nogle af disse megaceller kopier af M. mycoides genom.
Efterlades i cirka tre timer, vil cellerne med mere end et genom dele sig, hvilket skaber en blanding af celletyper. Omkring én ud af 100.000 celler har det transplanterede genom, som indeholder et antibiotikaresistensgen. Når celleopløsningen udstryges på plader, der indeholder antibiotikummet tetracyclin, overlever kun dem med det transplanterede genom. Selvom de oprindeligt var af en anden art, var de M. mycoides genomet tager over for at skabe det, forskerne kalder en syntetisk celle.
Forskerne vil nu bruge disse teknikker til gradvist at skrumpe genomet. De bruger i øjeblikket software til at designe nye genomer med forskellige gener fjernet og bruger derefter deres teknik til at syntetisere og transplantere dem. Vi kan teste en svimlende mængde af muligheder i et eksperiment, siger Glass. Dette giver dem mulighed for i løbet af få uger snarere end år at bestemme, hvad der sker, når f.eks. 10 gener i en bestemt vej udtrykkes på forskellige niveauer eller elimineres.
Udviklingen af disse teknikker tog omkring $30 til $40 millioner i finansiering, hovedsageligt fra virksomheden Synthetic Genomics. Hovedomkostningerne ved disse eksperimenter kommer fra prisen på at syntetisere DNA, som kan falde, efterhånden som flere forskere ser løftet om disse typer eksperimenter. Andre grupper gør det ikke på grund af omkostningerne, og fordi metoderne har været svære, men jeg vil gerne tro, at vi gør metoderne enkle, siger Gibson. Professor ved Boston University James Collins er enig. Efterhånden som omkostningerne falder, vil du se, at en række laboratorier begynder at syntetisere på denne skala. Hvis denne teknik anses for at være nyttig, kommer vi dertil på omkostningerne.