Mostro In Provetta: Sono Stati Fatti Progressi Nella Creazione Di Una Forma Di Vita Sintetica

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Anonim
Test Tube Monster: sono stati fatti progressi nella creazione di una forma di vita sintetica: batteri, genoma, sintetici
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I biologi sono riusciti a creare batterio con genoma sinteticorimuovendo da esso tutti i geni di cui si può fare a meno.

Un microrganismo può esistere solo in condizioni di laboratorio ideali per esso, quindi difficilmente può rappresentare un pericolo per coloro che sono sospettosi di tali esperimenti. "Lenta.ru" ha conosciuto la ricerca rivoluzionaria e ha scoperto perché i suoi risultati sono così importanti.

Le cellule sono l'unità fondamentale di un organismo vivente. La loro esistenza, a sua volta, dipende dal genoma, la totalità di tutto il materiale ereditario, che include geni e DNA non codificante per proteine. Il genoma contiene informazioni crittografate che determinano la composizione chimica della cellula, il metabolismo, la sua struttura, la riproduzione e molto altro.

Ogni genoma è una sorta di istruzione mediante la quale vengono eseguiti processi vitali, sia comuni a tutti gli organismi viventi sulla Terra, sia specifici per specie specifiche.

Il genoma interagisce attivamente con il citoplasma della cellula. Da un lato, determina le funzioni dei suoi singoli componenti e, dall'altro, alcuni di questi componenti stessi regolano l'attività dei geni, accelerando o sopprimendo la produzione di proteine vitali.

Il genoma può essere pensato come parte del software della cellula. Il sequenziamento è un metodo con cui è possibile determinare la composizione chimica del DNA, consente di decifrare le istruzioni codificate nel genoma e determinare quali funzioni svolge un particolare pezzo di DNA.

Gli scienziati hanno studiato per molti anni la possibilità di semplificare il genoma di una cellula batterica in modo che rimangano solo i geni e il DNA regolatorio, che forniscono funzioni di base - crescita e riproduzione - in condizioni di laboratorio ideali. In natura, gli organismi con un tale genoma non potrebbero sopravvivere, poiché dovrebbero adattarsi a un ambiente in continua evoluzione e i geni che forniscono tale plasticità sono stati rimossi da loro.

I batteri tipici come Bacillus subtilis ed Escherichia coli sono altamente adattabili perché trasportano geni che vengono attivati solo in determinate condizioni. La dimensione del genoma codificante di questi batteri è costituita da quattro a cinquemila geni. Altri batteri preferiscono un ambiente stabile che non cambia per millenni, quindi l'evoluzione "spegne" il DNA in eccesso per sempre.

Fasi della minimizzazione del genoma di M. mycoides

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Nel 1984, il biofisico americano dell'origine della vita Harold Morowitz suggerì che i micoplasmi potevano essere un oggetto conveniente per studiare i fondamenti di base della vita. I micoplasmi sono una classe di batteri che sono i più semplici organismi cellulari conosciuti. Il sequenziamento del genoma di Mycoplasma genitalium è stato completato nel 1995, ma la determinazione delle funzioni di regioni specifiche di esso è rimasta impegnativa.

I micoplasmi di solito si sviluppano in ambienti ricchi di sostanze nutritive come cellule animali e umane parassitate. Questo ambiente è relativamente stabile, motivo per cui hanno il più piccolo genoma conosciuto tra gli organismi che si riproducono in modo indipendente.

Nel 1996, i bioinformatici Evgeny Kunin e Arkady Mushegyan hanno confrontato i genomi di due batteri: Haemophilus influenzae (contiene 1815 geni) e M.genitalium (525 geni - il più piccolo genoma micoplasmatico conosciuto). Sono stati in grado di identificare 240 geni che sono stati trovati in entrambi i batteri e hanno coperto la maggior parte delle funzioni cellulari di base.

Gli scienziati hanno aggiunto a loro altri 16 geni necessari per l'attuazione di processi metabolici vitali e hanno ricevuto quello che hanno chiamato "il più piccolo insieme possibile di geni".

Nel 1999, un team di biologi guidato da Craig Venter, utilizzando un metodo chiamato mutagenesi globale del trasposone, ha affinato il numero di geni dal set più piccolo. Gli scienziati si sono alternati spegnendo i geni di M. genitalium, inserendo trasposoni - frammenti di DNA "saltanti" che sono in grado di muoversi e riprodursi all'interno del genoma.

Se il batterio è sopravvissuto con il gene disattivato, è stato considerato insignificante per la sua vita. Si è scoperto che il set di geni più piccolo possibile dovrebbe includere almeno 375 geni. Almeno, perché questo metodo ha un inconveniente: se un gene ha un "doppio", quando li disattivi a turno, la cellula sopravvive naturalmente, ma se entrambi contemporaneamente, morirà.

Nello stesso periodo, gli scienziati hanno iniziato a sviluppare metodi per creare un genoma artificiale al fine di ricreare un insieme minimo di geni. Hanno sostituito il M. genitalium a moltiplicazione insufficientemente rapida con M. mycoides, che è più adatto per esperimenti di laboratorio. La dimensione del genoma di quest'ultimo è di circa 900 geni, o, in altre parole, più di un milione di basi accoppiate, i "mattoni" di un doppio filamento di DNA. Nel 2010, i biologi hanno ottenuto il ceppo JCVI-syn1.0, un micoplasma con un genoma sintetizzato chimicamente.

Per fare ciò, gli scienziati hanno inserito singoli frammenti di DNA di M. mycoides nella cellula del batterio ricevente, il cui genoma era stato precedentemente distrutto. JCVI-syn1.0 era quasi una copia esatta di M. mycoides, fatta eccezione per la presenza di DNA "tecnico" (marcatori genetici), che veniva utilizzato come "foreste" per la costruzione del genoma.

Confronto delle caratteristiche di crescita delle colonie JCVI-syn1.0 e JCVI-syn3.0

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Nel nuovo lavoro, il team di biologi ha utilizzato dati precedentemente ottenuti da loro utilizzando il metodo del trasposone, nonché informazioni provenienti da altri articoli che hanno valutato la vitalità dei batteri con la graduale rimozione di sezioni di DNA da essi.

Inoltre, per escludere i "doppi", i ricercatori hanno determinato la funzione dei geni confrontandoli con geni simili, il cui scopo era già noto. Pertanto, tutti i geni di M. mycoides sono stati classificati come essenziali o non essenziali. Sulla base di tutte le informazioni disponibili e attraverso test sperimentali costanti, gli scienziati sono stati in grado di determinare il genoma minimo.

L'intero studio può essere presentato come un ciclo. In ogni fase, i biologi hanno sintetizzato vari genomi JCVI-syn1.0 incompleti nelle cellule di lievito, rimuovendo da essi geni che erano ipoteticamente insignificanti. Quindi i genomi sono stati trapiantati in cellule riceventi di M. capricolum, dopo di che è stata determinata la vitalità dei microrganismi ottenuti.

Successivamente, gli scienziati hanno sopravvalutato l'importanza di geni specifici e il ciclo è ricominciato. Alla fine, i ricercatori hanno ottenuto un nuovo ceppo di batteri - JCVI-syn3.0, il cui genoma è stato dimezzato rispetto alla versione precedente e ammontava a 531 mila paia di basi. Codifica 438 proteine e 35 tipi di RNA regolatori - 437 geni in totale.

Gli scienziati hanno scoperto che il 49% dei geni rimanenti ha mantenuto la propria funzione dall'epoca dell'ultimo antenato comune. Il ruolo degli altri 149 geni è attualmente sconosciuto, sebbene i loro potenziali omologhi (geni di comune origine) siano stati trovati in altri organismi e codifichino proteine le cui funzioni non sono ancora state chiarite.

D'altra parte, sono sopravvissuti quasi tutti i geni, il cui lavoro è associato alla trascrizione e alla regolazione del DNA, al metabolismo dell'RNA, al ripiegamento delle proteine, alla sintesi dei ribosomi, nonché alla duplicazione del DNA, al suo ripristino e ad altri meccanismi genetici che potrebbero esistono fin dai primi tempi dello sviluppo della vita.

I doppi filamenti di DNA sono formati da basi accoppiate, nella cui sequenza sono codificate informazioni su proteine o RNA regolatori

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In totale, i biologi hanno rimosso 428 geni. Anche le funzioni della maggior parte di essi sono sconosciute, ma 73 geni erano elementi genetici mobili - sequenze di DNA che si muovevano all'interno del genoma - e regioni del genoma che codificano per enzimi che idrolizzano gli acidi nucleici.

Hanno anche rimosso 72 geni responsabili della sintesi delle lipoproteine, proteine coinvolte nel metabolismo dei lipidi. Poiché il mezzo nutritivo in laboratorio forniva alle cellule tutte le sostanze necessarie, non c'era bisogno di geni coinvolti nel trasporto, nel catabolismo, nella degradazione proteica e in altri processi metabolici che diventavano ridondanti.

Un risultato importante dello studio non è che sia stato possibile ottenere un "nucleo genetico universale della vita" - questo è fondamentalmente impossibile da fare, poiché in diversi organismi i geni del più piccolo insieme possibile potrebbero non solo essere diversi, ma anche avere origini diverse.

Il significato principale del lavoro è che è stata creata una piattaforma universale per studiare le funzioni di base della vita e studiare la struttura del genoma. Inoltre, il metodo stesso, sviluppato dagli scienziati per la sintesi di JCVI-syn3.0, consente di creare nuovi costrutti genomici, nonché di progettare cellule modello, la cui funzione di ciascun gene è ben nota.

Secondo i ricercatori, ciò fornirà l'opportunità di creare percorsi metabolici per la sintesi di farmaci e prodotti chimici industriali.

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