Umjetne minimalne ćelije: Stvaranje dovoljno života za medicinska istraživanja

• Autor:
• Ime autora

  Quantumrun Foresight
• Decembar 23, 2022

Sažetak uvida

Istražujući osnove života, naučnici su smanjivali genome kako bi stvorili minimalne ćelije, otkrivajući osnovne funkcije neophodne za život. Ovi napori su doveli do neočekivanih otkrića i izazova, kao što su nepravilni oblici ćelija, što je dovelo do daljeg usavršavanja i razumijevanja genetskih osnova. Ovo istraživanje utire put napretku u sintetičkoj biologiji, s potencijalnom primjenom u razvoju lijekova, proučavanju bolesti i personaliziranoj medicini.

Kontekst umjetnih minimalnih ćelija

Umjetne minimalne ćelije ili minimizacija genoma je praktičan pristup sintetičke biologije za razumijevanje kako interakcije između esencijalnih gena dovode do vitalnih fizioloških procesa. Minimizacija genoma koristila je metodu dizajn-izgradi-test-uči koja se oslanjala na procjenu i kombinaciju modularnih genomskih segmenata i informacija iz transpozonske mutageneze (proces prijenosa gena s jednog domaćina na drugi) kako bi se pomoglo u vođenju brisanja gena. Ova metoda je smanjila pristrasnost pri pronalaženju esencijalnih gena i dala naučnicima alate za promjenu, obnovu i proučavanje genoma i onoga što on radi.

2010. godine, naučnici sa američkog J. Craig Venter instituta (JVCI) objavili su da su uspješno eliminirali DNK bakterije Mycoplasma capricolum i zamijenili je kompjuterski generiranom DNK zasnovanom na drugoj bakteriji, Mycoplasma mycoides. Tim je svoj novi organizam nazvao JCVI-syn1.0, ili skraćeno 'Synthetic'. Ovaj organizam je bio prva vrsta koja se samoreplicirala na Zemlji koja se sastojala od kompjuterskih roditelja. Stvoren je da pomogne naučnicima da shvate kako život funkcioniše, počevši od ćelija naviše. 

Godine 2016. tim je stvorio JCVI-syn3.0, jednoćelijski organizam s manje gena od bilo kojeg drugog poznatog oblika jednostavnog života (samo 473 gena u poređenju sa 1.0 genom JVCI-syn901). Međutim, organizam je djelovao na nepredvidive načine. Umjesto da proizvodi zdrave ćelije, stvorio je one čudnog oblika tokom samoreplikacije. Naučnici su shvatili da su uklonili previše gena iz originalne ćelije, uključujući i one odgovorne za normalnu ćelijsku deobu. 

Ometajući uticaj

Odlučni da pronađu zdrav organizam sa što manje gena, biofizičari sa Tehnološkog instituta u Masačusetsu (MIT) i Nacionalnog instituta za standarde i tehnologiju (NIST) remiksovali su JCVI-syn3.0 kod 2021. godine. Uspeli su da naprave nova varijanta pod nazivom JCVI-syn3A. Iako ova nova ćelija ima samo 500 gena, zahvaljujući radu istraživača ponaša se više kao obična ćelija. 

Naučnici rade na tome da još više skinu ćeliju. Godine 2021., novi sintetički organizam poznat kao M. mycoides JCVI-syn3B evoluirao je 300 dana, pokazujući da može mutirati pod različitim okolnostima. Bioinženjeri su takođe optimistični da moderniji organizam može pomoći naučnicima da proučavaju život na njegovom najosnovnijem nivou i razumeju kako bolesti napreduju.

Godine 2022, tim naučnika sa Univerziteta Ilinois u Urbana-Champaign, JVCI, i nemačkog Technische Universität Dresden kreirao je kompjuterski model JCVI-syn3A. Ovaj model bi mogao precizno predvidjeti rast i molekularnu strukturu njegovog stvarnog analoga. Od 2022. godine, to je bio najkompletniji model cijele ćelije koji je kompjuter simulirao.

Ove simulacije mogu pružiti vrijedne informacije. Ovi podaci uključuju procese metabolizma, rasta i genetskih informacija tokom ćelijskog ciklusa. Analiza nudi uvid u principe života i kako ćelije troše energiju, uključujući aktivni transport aminokiselina, nukleotida i jona. Kako minimalno istraživanje ćelija nastavlja rasti, naučnici mogu stvoriti bolje sintetičke biološke sisteme koji se mogu koristiti za razvoj lijekova, proučavanje bolesti i otkrivanje genetskih terapija.

Implikacije umjetnih minimalnih ćelija

Šire implikacije razvoja umjetnih minimalnih ćelija mogu uključivati: 

• Više globalne saradnje za stvaranje smanjenih, ali funkcionalnih životnih sistema za istraživanje.
• Povećana upotreba mašinskog učenja i kompjuterskog modeliranja za mapiranje bioloških struktura, kao što su krvne ćelije i proteini.
• Napredna sintetička biologija i hibridi stroj-organizam, uključujući tijelo na čipu i žive robote. Međutim, ovi eksperimenti bi mogli dobiti etičke žalbe nekih naučnika.
• Neke biotehnološke i biofarmačke firme uveliko ulažu u inicijative sintetičke biologije kako bi ubrzale razvoj lijekova i terapija.
• Povećane inovacije i otkrića u genetskom uređivanju dok naučnici uče više o genima i kako se njima može manipulisati.
• Unaprijeđeni propisi o biotehnološkom istraživanju kako bi se osigurala etička praksa, čuvajući i naučni integritet i povjerenje javnosti.
• Pojava novih obrazovnih i programa obuke fokusiranih na sintetičku biologiju i veštačke oblike života, opremajući sledeću generaciju naučnika specijalizovanim veštinama.
• Pomak u zdravstvenim strategijama ka personaliziranoj medicini, korištenjem umjetnih ćelija i sintetičke biologije za tretmane i dijagnostiku po mjeri.

Pitanja koja treba razmotriti

• Ako radite na polju sintetičke biologije, koje su druge prednosti minimalnih ćelija?
• Kako organizacije i institucije mogu raditi zajedno na unapređenju sintetičke biologije?