בני אדם משתמשים במה שהם יודעים על העולם הביולוגי כדי לייצר דברים במשך מאות שנים - מבירה לאנטיביוטיקה. אבל, מה אם היית יכול לתפעל את העולם הזה ברמה מאוד גנטית בסיסית כדי ליצור משהו שאתה צריך? תכנות תא לייצור תרופה, הפקת אנרגיה או התקפה של מחולל בגוף נראה כמו חומר מדע בדיוני, אבל זה מה שהתחום המתהווה של הביולוגיה הסינתטית מבטיח.
תוכן קשור
- שמרים מהונדסים עלולים לפתוח שוק משכך כאבים DIY
- האם פנדה פופ יכולה להיות הסוד לדלק ביולוגי יעיל יותר?
- שמרים של פראי דרום
- Big Brew-ha-ha: מדענים מגלים את שמרי הבר של לאגר
ברמה הבסיסית ביותר, ביולוגיה סינתטית דומה לבניית מבנה מורכב מתוך לגוס. כשם שעל מהנדס לגו להבין כיצד כל הבלוקים הקטנים משתלבים זה בזה, על המדענים להבין בדיוק אילו יסודות גנטיים הם זקוקים וכיצד אותם אלמנטים משתלבים זה בזה לבניית מבנים ביולוגיים אלה, בין אם זה גן, מסלול שכולל כמה גנים, או אפילו כרומוזום מלא - מבנה המכיל מאות גנים.
בשבע השנים האחרונות צוות חוקרים בינלאומי מבין כיצד לבנות כרומוזום שמרים מהיסוד. כעת, הם בנו בהצלחה אחת ושילבו אותה בתא שמרים חי. עבודותיהם, שפורסמו היום ב- Science, מסמנות התקדמות משמעותית בתחום הביולוגיה הסינתטית - וצעד זהיר לעבר היכולת ליצור גנום מעצבים לצמחים ובעלי חיים.
"זה הכרומוזום שהשתנה בהרחבה ביותר שנבנה אי פעם. אבל אבן הדרך שבאמת סופרת היא לשלב אותו בתא שמרים חי", אמר בהצהרה ג'ף ספרים, גנטיקאי במרכז הרפואי לנגון של ניו יורק וסופר-שותף למחקר.
למה שמרים? ראשית, לבני אדם יש קשר ארוך עם הפטריות. שמרי מבשלת בירה ( Saccharomyces cerevisiae ) שימשו להכנת בירה ואפיית לחם מאז ימי קדם. כיום התחום הביוטכנולוגי התעשייתי המודרני מתחיל להשתמש בשמרים לייצור חיסונים, תרופות ודלקים ביולוגיים. במעבדת הביולוגיה המודרנית, שמרים הם גם אורגניזם מודל מכיוון שתאיו פועלים באופן דומה לתאים אנושיים. בני אדם וגם שמרים הם אאוקריוטים, כלומר התאים שלהם מכילים רכז מרכזי המכונה גרעין האגור DNA בכרומוזומים הפצועים היטב. כתוצאה מכך אנו יודעים הרבה על ביולוגיה ושמרים של שמרים.
הגנטיקאי ג'ף ספרים בוחן צלחת של מושבות שמרים המכילה גרסה סינתטית של כרומוזום ספציפי (צילום: NYU Langone) עבור אורגניזמים ללא גרעין תאים, הביולוגיה הסינתטית כבר הפיקה גנומים שלמים. מדענים הנדסו ושכפלו וירוסים במשך כעשור. בשנת 2008, חוקרים ממכון ג'יי קרייג ונטר במרילנד בנו גנום חיידקי מלא והמשיכו לייצר את האורגניזם החי הראשון עם הגנום הסינתטי (חיידק חד תאיים). אולם גנום חיידקי כזה מכיל רק כרומוזום אחד, ואילו לבני אדם יש 23 זוגות ושמרים של מבשלות בירה יש 16. משחק גנים רבים כל כך במשחק יכול להיות הרבה יותר משתנה, כך שלציוד גן אחד יכול להיות בעל השלכות מרחיקות לכת על הגנום.
אחד הכרומוזומים של השמרים, למשל, מכיל גן לסוג ההזדווגות של שמרים (מין כמו מין) השולט כשלעצמו בכמה גנים אחרים ברחבי הגנום. זה הפך אותה לנקודת מוצא אטרקטיבית עבור ספרים ועמיתיו. במחשב, הם עיצבו איך הם רוצים שהגירסה הסינטטית שלהם לכרומוזום זה ייראה. לאחר מכן באוניברסיטת ג'ונס הופקינס בבולטימור, הצוות של ספרים היה זקוק ל- DNA, ולכן החל לגייס את עזרתם של סטודנטים לתארים מתקדמים באמצעות קורס "Build-A-Genome" בשנת 2007. סטודנטים תפרו יחד נוקלאוטידים, התרכובות שיוצרות קווצות DNA, בכדי להפוך את הקצר קטעי רצף גנטי או "אבני בניין".
כדי להדביק את אבני הבניין ל"מיניצ'ונקים "גדולים יותר, החוקרים השתמשו בטיפולי אנזימים שונים ואף השתמשו במכונות ההרכבה הגנטית של השמרים. לבסוף, הם ניצלו את הנטייה של שמרים לשלב מחדש חלקים של DNA לגנום שלה כדי להרכיב, נתח על ידי נתח. בסופו של דבר, השמרים החליפו את הכרומוזום המקורי שנבחר בגרסה הסינתטית. ספר מדמה את כל התהליך לבניית ספר: אתה מתחיל ליצור מילים, ואז פסקאות, עמודים, פרקים ולבסוף את הספר עצמו.
ברגע שבנו אותו, בוקלטים ועמיתיו רצו לבדוק את הפונקציונליות של הכרומוזום הסינתטי בתאי שמרים. החוקרים עיצבו את הכרומוזום כך שיכלול סמנים מיוחדים לגנים שנחשבו כלא חשובים - הסמנים תוכננו כך שיוכלו להפעיל אותם על ידי אנזים לטרוף, למחוק או לשכפל גנים.
לאחר מכן הצוות הפעיל את הסמנים באופן שיטתי לבצע יותר מ 50, 000 שינויים בכרומוזום הסינטטי בנקודות ספציפיות בקוד - עסק מסוכן מכיוון ששינויים אקראיים עלולים להרוג את תא השמרים בקלות. "זה כרומוזום בעריכה מוחלטת מאוד", אומר בוטים. כאשר הם שינו או מחקו גנים, חלק מהתאים צמחו טוב יותר מאחרים בתנאים מגוונים, אך כל התאים צמחו.
יתרה מזאת, לא משנה כיצד החוקרים צייצו את תנאי הגידול, התאים עם הכרומוזום הסינתטי עדיין הולידו מושבות שמרים. "למרות כל השינויים האלה, יש לנו שמרים שנראים כמו שמרים, מריחים כמו שמרים ועושים אלכוהול כמו שמרים, אומר בוטים." אנחנו לא באמת יכולים להבדיל את זה, ובכל זאת זה כל כך שונה. "פירוש הדבר שגנום השמרים - לפחות החלקים שהחוקרים הפעילו לשנות - הוא עמיד מאוד ויכול להתמודד עם הרבה מוטציה, ממצא די מרשים מבחינה הנדסית גנטית.
מפה של כרומוזום שמרים מעצבים שנבנה על ידי בוקרים ועמיתיו. (תמונה: Boeke ואח ') "עבודה זו מדווחת על הכרומוזום האוקריוטי הראשון של המעצב שעבר סינתזה מאפס. זהו צעד חשוב לבניית גנום אקוקרוטי מעצב. הוא פותח דלתות כדי להתייחס לשאלות מדעיות וטכניות רבות ", אומר הוימין ג'או, מהנדס ביו-מולקולרי באוניברסיטת אילינוי באורבנה-שמפיין.
לדוגמה, הכרומוזום הסינתטי שיצר הצוות של ספרים קטן ב -14 אחוזים מהכרומוזום הרגיל אותו ביקשו לשכפל. אז מה הגנום הקטן ביותר שצריך בכדי ליצור תא שמרים מתפקד? בהתבסס על השיטות המיושמות כאן, הם יכולים להתחיל לבדוק את השאלות הללו במעבדה. ולמרות שמסלולי המחקר שופעים, בספרים אומר כי הצעד הבא עבור הצוות שלו יהיה להשתמש בטכניקות אלה כדי לסנתז את כל הגנום של השמרים.
לאחר סינתזת הגנום, החוקרים יכלו, בתיאוריה, להשתמש בסמנים כדי לצבוט גנים שונים בסדר גודל גדול יותר. זה יכול לאפשר להם התאמה אישית של תאי שמרים עם גנומים סינתטיים המתאימים למטרות ספציפיות.
לדוגמה, כמה חברות ביוטכנולוגיה כבר הכניסו גנים לתאי שמרים המשכפלים במהירות בכדי לייצר כמויות גדולות של גרסה סינתטית לתרופת המלריה ארטמיסינין, והנדסה של גנום מעצבים יכולה לשפר את תהליך הייצור. כיצד הנדסה של גנום מעצבים תשפר את תהליך הייצור? אילו סוגים חדשים של תרופות ניתן להכין עם שמרים המותאמים במיוחד? או ברמה פחות אלטרואיסטית, אילו סוגים חדשים של בירות? בין אם אתם מחפשים לטפל במחלות אנושיות או סתם רוצים להתקרר בסופו של יום, ביולוגיה סינתטית היא כעת צעד קרוב יותר לעזור לכם.
