Sådan genskaber du livet

Med en præcis bevægelse pipetterer Li Ma, en tekniker ved J. Craig Venter Institute i Rockville, MD, en kirsebærrød opløsning af bakterieceller ind i et hætteglas, der indeholder en klar opløsning af skrøbelige DNA-løkker. Disse løkker, de største stykker DNA, der nogensinde er samlet i laboratoriet, er hver især i stand til at kontrollere alle de almindelige funktioner i en celle. Men DNA'et stammer ikke fra nogen bakterier: I stedet stykker videnskabsmænd det sammen fra flaskekemikalier. Den proces, de for nylig udviklede til at gøre dette, er den første, der giver syntetiske celler, der er i stand til at overleve. Nogle af de bakterieceller, som Ma arbejder med, vil smelte sammen i opløsningen, opsluge det syntetiske genom og derefter replikere og leve under dets kontrol.

En opløsning af celler, hvoraf nogle indeholder det nye genom, blandes med et gelbaseret dyrkningsmedium, der indeholder et antibiotikum. Derefter hældes det i petriskåle og lægges i en inkubator. Kun celler, der indeholder det syntetiske genom, bærer et gen, der beskytter dem mod antibiotika. De blå pletter er kolonier af bakterier nu kontrolleret af det transplanterede syntetiske genom.

Konventionel genteknologi er en langvarig proces, hvor generne ændres én efter én, ofte over på hinanden følgende generationer af organismer. Det gør radikal ændring af et genom til et skræmmende forslag. Men de nyudviklede teknikker giver forskere mulighed for at redigere genomer på en computer, trække eller tilføje gener ved bogstaveligt talt at klippe og indsætte dem i en fil. Det er mere som tekstbehandling end det traditionelle laboratoriearbejde involveret i dyrkning og screening af generationer af organismer. Forskerne kan derefter udføre den genetiske ækvivalent med at udskrive filen, hvorefter de er i stand til at transplantere resultatet – et nyt genom – ind i eksisterende celler. Disse trin fremskynder konstruktionsprocessen dramatisk; det kan tage kun uger at gennemføre eksperimenter, der tidligere ville have taget måneder eller år.

Denne historie var en del af vores september 2010-udgave

• Se resten af ​​problemet
• Abonner

I sidste ende ønsker forskere at bruge syntetisk biologi til at designe mikrober, der meget effektivt producerer vacciner, rene brændstoffer og andre produkter. Men de kan ikke konstruere nye genomer fra bunden, fordi de endnu ikke ved nok om, hvilke gener og netværk af gener, der er nødvendige for at opretholde liv og producere et ønsket produkt. Du kan fjerne et gen og cellen lever; fjern et sekund, og det dør; fjern så en tredje, og den lever igen, siger Daniel Gibson, der er lektor ved instituttet. Venter-forskerne eksperimenterer således med sekvensen af ​​et naturligt forekommende genom. De håber at lære mere om, hvordan genomer og celler fungerer ved hurtigt at slette og tilføje gener i forskellige kombinationer, inkorporere de nye genomer i celler og derefter observere, hvordan disse genomer fungerer eller ikke fungerer.

Genetisk revision

Processen starter på computeren, hvor Gibson trækker bakteriens genom op Mycoplasma mycoides . Det er relativt simpelt, der kun omfatter 1.078.809 DNA-basepar, der udgør omkring 900 gener. (Sammenlignet med, E coli bakterier har omkring 4.400 gener.) Gibson og hans kolleger har lavet et par ændringer: de har slettet 14 gener fra sekvensen og tilføjet andre. For at skabe et vandmærke, der adskiller deres skabelse, udviklede de en kode, der konverterer engelsk til DNA-alfabetet på fire bogstaver og brugte det til at modificere genomet ved at inkorporere deres navne, en URL, et par sætninger og en e-mail-adresse i genom.

Gibsons gruppe bruger derefter software til at opdele det modificerede genom i 1.100 sektioner, hver omkring 1.080 basepar lange - en størrelse, der kan laves økonomisk med en DNA-synthesizer, en maskine, der sammensætter strækninger af DNA fra individuelle basepar leveret i flaskeopløsninger. Endelig får forskerne gærceller til at sy disse lange sektioner sammen, et job som maskiner ikke kan udføre.

Gibson knæler foran et køleskab i laboratoriet og trækker 12 plastikkasser ud, som hver indeholder 96 brønde fulde af DNA-fragmenter baseret på de computermodificerede designs. Han stabler dem på en bænk og siger: Dette er hele genomet i 1.100 stykker. Gibson bruger en pipette til at samle 10 fragmenter i rækkefølge og tilføjer dem til et lille plastikrør sammen med et ekstra fragment af DNA, der vil hjælpe med at trække sekvensen sammen til en løkke. Dernæst tilføjer han gærceller, der er blevet behandlet for at give dem mulighed for at optage DNA-stykkerne. Hver gærcelle tror, ​​at disse stykker DNA er en del af sit eget kromosom, og det er ødelagt, siger han. Den vil gerne sætte dem sammen igen. Forskerne designede DNA-fragmenterne, så dem, der skal kobles sammen, har ender med matchende sekvenser. Gæren deler de 10 fragmenter sammen ved at matche disse sekvenser for at producere DNA-løkker, der hver er 10.000 basepar lange. Gentagelse af processen forbinder 10.000-base-par-sekvenserne for at danne 100.000-base-par segmenter af genomet. Efter et tredje poolingstrin har gæren syet hele det syntetiske genom. Ved hjælp af etablerede metoder udvindes de syntetiske genomer fra gæren.

Håndteringen af ​​det ekstraherede DNA tager stor omhu: selv et lille genom er et gigantisk, skrøbeligt molekyle. Det går i stykker i 100 stykker, hvis man bare ser forkert på det, siger Gibson. Hvis det var suspenderet i en flydende opløsning, kunne DNA'et blive ødelagt blot ved væskens bevægelse. Så Gibson immobiliserer genomerne i agarose, en alge-afledt gel, der almindeligvis bruges som et medium for mikrober. Indesluttet i denne beskyttende pellet kan de sikkert opbevares, indtil forskerne er klar til at transplantere dem ind i modtagerceller.

Lille transplantation

I et laboratorium nede i gangen har Ma forberedt de celler, der skal modtage den nye sekvens: en bakterieart kaldet Mycoplasma capricolum det er tæt knyttet til den art, hvorfra det syntetiske genom er afledt. Mens et enzym, der nedbryder agarose, gør DNA-holdige pellets flydende i et reagensglas, får Ma et andet reagensglas og blander bakterierne med calciumchlorid og polyethylenglycol, en cocktail, som forskerne mener gør cellernes overflader formbare og klæbrige. Nu er det et spørgsmål om tilfældigheder og en fast hånd. Ma pipetterer noget af celleblandingen ind i hætteglasset, der indeholder de syntetiske genomsløjfer. De klæbrige celler begynder at fusionere med hinanden. For at bevare deres sfæriske form efter fusion skal de optage volumen fra opløsningen omkring dem. Da dette sker, optager nogle celler - omkring én ud af 100.000 - også det syntetiske genom. Resultatet er en slags supercelle med tre genomer - det syntetiske genom og et fra hver af de to celler. Supercellen deler sig derefter i tre mindre celler, hvoraf den ene indeholder det syntetiske genom.

Ma smører celleopløsningen på kulturplader, der indeholder et antibiotikum, som kun celler med det syntetiske genom er resistente over for (under genomredigeringsprocessen tilføjede forskerne et gen, der gør dem uigennemtrængelige for det). Disse celler vil leve, vokse og dele sig under kontrol af det nye genom. Resten dør og efterlader en ren koloni af syntetiske celler.

Det næste skridt for Venter Instituttets forskere er at bruge deres genomiske redigerings-, syntetiserings- og transplantationsteknikker til at designe og teste genomer med færre og færre gener. Målet er at skabe en minimal celle - en med kun de gener, den har brug for for at overleve. En sådan celle kunne være nemmere end en naturlig at ændre gennem genteknologi.

Forskernes metoder er i øjeblikket meget dyre: Det koster 300.000 til 500.000 dollars at fremstille og transplantere et syntetisk genom, hvis forskerne syntetiserer DNA'et internt, eller omkring tre gange så meget, hvis de køber det fra en ekstern leverandør. Alligevel er prisen på DNA-syntese faldende og kan fortsætte med at falde yderligere, efterhånden som efterspørgslen stiger, og teknologien forbedres. Hvis det sker, og genomopbygningsteknikkerne viser sig lige så nyttige, som Venter-forskerne håber, de vil, vil flere mennesker begynde at adoptere deres metoder, siger James Collins, professor i biomedicinsk ingeniørvidenskab ved Boston University.

Dette er et betydeligt fremskridt for syntetisk biologi, siger Collins. Nu skal vi se, hvad er de ændringer, der kan introduceres til genomet?

skjule