Учените отдавна се чудят: могат ли да създадат пълноценна синтетична форма на живот? Биологът Антъни Хосе представи концепцията за клетъчен код, знанието за което е необходимо, за да се получи изкуствен организъм.
В момента изследователите току-що са започнали да произвеждат изкуствени форми на живот чрез повторно сглобяване на геномите на едноклетъчните микроорганизми. По-специално през март миналата година в една от специализираните публикации се появи статия, в която учените описват процеса на създаване на бактериална микоплазма с минимално възможния брой гени. За да получат желания резултат, учените последователно вмъкват фрагменти от променения геном, който е бил почти наполовина по-малък от оригинала, в клетката реципиент с унищожената ДНК.
Тази година американски изследователи от университета Джон Хопкинс успяха да получат дрожди с изкуствени хромозоми, от които бяха премахнати безполезни и дефектни гени. Освен това учените успяха да разбият генетичния код, като промениха триплетите на TAG протеините на TAA. Благодарение на това организмите се отърваха от допълнителния фрагмент, който обслужва TAG кодоните.
Докато някои изследователи се опитват да създадат едноклетъчни организми, свободни от генетични отломки, в същото време други учени се опитват да направят промени в начина, по който протеините са кодирани от ДНК последователност. В момента напредъкът в тази посока е повече от скромен. Малкото, което е направено, е да се разнообрази ДНК азбуката. Към четирите вече съществуващи нуклеотидни букви бяха добавени няколко букви. Една от научните статии разказва за това как международна група изследователи са успели да вмъкнат изкуствени нуклеотиди Y, X в генома на Е. coli. Въпреки факта, че нещо подобно е правено и преди, изследователите успяват да гарантират, че бактериите запазват синтетична част в своята ДНК, но докато успешно се развива.
Това обаче е само първата стъпка към пълноценен изкуствен организъм. В следващата стъпка учените възнамеряват да накарат изкуствените нуклеотиди да кодират аминокиселини. В Е. coli синтетичните протеини Y, X са поставени в безопасна част от генома, извън кодиращите последователности на гените. В противен случай новите пептиди просто биха нарушили процеса на протеинов синтез. Клетката просто няма да знае за коя аминокиселина е отговорен този или онзи кодон (YGC или ATX). Биолозите все още не са създали нова транспортна РНК, която ще може да разпознава такива триплети и да вмъкне определена аминокиселина в нарастващата пептидна последователност.
Но дори при такива условия такъв организъм трудно може да се нарече изкуствен. В същото време учените разбират какви ще бъдат следващите им действия. Синтетичният организъм ще получава не само нови нуклеотиди, но и нови аминокиселини, които или изобщо не се срещат, или са изключително редки в клетката. Учените добре знаят, че всички триплети нуклеотиди са кодирани само от двадесет стандартни аминокиселини. Някои други аминокиселини, включително селеноцистеин, могат да бъдат включени в протеина при определени условия. Благодарение на допълнителните букви от генетичния код ще бъде възможно обогатяването на протеина и образуването на кодони, които ще съответстват на новите аминокиселини.
Въпреки факта, че синтетичната биология е постигнала известен напредък, изследователите все още не знаят точно каква информация е важна за получаване на организъм с дадените характеристики. ДНК последователността е само отправна точка. Всички клетки на растение или животно съдържат един и същ геном, но в хода на развитието на организмите клетките се разграничават, с други думи те изпълняват различни функции. В този процес вторичната (така наречената епигенетична) регулация играе важна роля, по време на която определени гени се изключват или активират от съединения. В крайна сметка една клетка може да се трансформира във фибробласт, а друга в неврон.
Антъни Хосе, биолог от университета в Мериленд, изучава как негенетичната информация определя организма. Изследователят предложи концепцията за клетъчен код, който е затворен в биологични молекули, разположени в триизмерно пространство. Тези молекули са необходими за пресъздаване на останалата част от организма. За да се съхранява тази информация, не са необходими всички клетки на сложен организъм; няколко или дори една клетка ще са достатъчни. За организми, които се размножават по полов път, такова хранилище е зиготата (това е клетка, която се образува след оплождането на женска гамета със сперма).
Промоционално видео:
Според изследователя, за да се дешифрира клетъчният код, е необходимо да се проучи целият цикъл на възстановяване на организма. С други думи, необходимо е да се разглежда развитието на живия организъм и неговото размножаване като един процес. За да разберем напълно как работи това, не е достатъчно да дешифрираме ДНК.
По време на образуването на зигота, формирането на нов организъм се влияе не само от ДНК, получена от ооцита и спермата, но и от цитоплазмата на гаметата. Веществата, които се натрупват по време на съзряването на гаметите (иРНК, протеини, транскрипционни фактори) могат да причинят майчиния ефект. Те присъстват в ранните етапи от развитието на ембриона и дори са в състояние да го убият (това е типично за бръмбарите от майски бръмбари). Пространствената структура на тези вещества също играе определена роля. По-специално, те образуват телесните оси при насекоми и определят къдренето на черупките в мекотелите.
Ученият ще предложи следната схема: клетка, която има биологични макромолекули и други съединения, в процеса на взаимодействие с хранителни вещества, сигнални молекули и температура (т.е. външни фактори), преминава в друго състояние, което от своя страна засяга околната среда. По подобен начин цялата система преминава през определен брой цикли, като натрупва нови вещества. Новият етап зависи от предишния, така че може да се предвиди.
Хосе се притеснява, че биолозите все още не знаят целия клетъчен код на най-простия организъм, но въпреки това, работейки с ДНК, вече са се заели да създават полуизкуствена форма на живот. Според изследователя подобни манипулации с генетичен материал наподобяват подмяната на части в някакъв механизъм, така че те могат да бъдат много рискови от гледна точка на етиката.
За да дешифрира клетъчния код, биологът предлага да се сравнят вътрешните характеристики на зиготите в поредица от поколения на най-простите микроорганизми, например едноклетъчни водорасли. За тези цели може да са подходящи и полуизкуствени бактерии с минимален геном. Чрез изучаване на бащиния или майчиния ефект ще бъде възможно да се установят значителни външни фактори. И изследването на пространственото подреждане на важни молекули може да се извърши с помощта на систематичен биохимичен и молекулярен анализ с използване на флуоресцентни молекули.