Umělé minimální buňky: Vytvářejí dostatek života pro lékařský výzkum

• Autor:
• jméno autora

  Quantumrun Foresight
• 23. prosince 2022

Shrnutí statistik

Při zkoumání základů života vědci redukovali genomy, aby vytvořili minimum buněk, a odhalili základní funkce nezbytné pro život. Toto úsilí vedlo k neočekávaným objevům a výzvám, jako jsou nepravidelné tvary buněk, což vede k dalšímu zdokonalování a pochopení genetických základů. Tento výzkum připravuje cestu pro pokrok v syntetické biologii s potenciálními aplikacemi ve vývoji léků, studiu nemocí a personalizované medicíně.

Kontext umělých minimálních buněk

Umělé minimální buňky nebo minimalizace genomu je praktický syntetický biologický přístup k pochopení toho, jak interakce mezi základními geny vedou k životně důležitým fyziologickým procesům. Minimalizace genomu používala metodu design-build-test-learn, která se spoléhala na vyhodnocení a kombinaci modulárních genomických segmentů a informací z transposonové mutageneze (proces přenosu genů z jednoho hostitele na druhého), aby pomohla vést genové delece. Tato metoda snížila zaujatost při hledání základních genů a poskytla vědcům nástroje ke změně, přestavbě a studiu genomu a toho, co dělá.

V roce 2010 vědci z Institutu J. Craiga Ventera (JVCI) se sídlem v USA oznámili, že úspěšně zlikvidovali DNA bakterie Mycoplasma capricolum a nahradili ji počítačově vytvořenou DNA založenou na jiné bakterii Mycoplasma mycoides. Tým nazval svůj nový organismus JCVI-syn1.0 nebo zkráceně ‚Syntetický‘. Tento organismus byl prvním samoreprodukujícím se druhem na Zemi, který sestával z počítačových rodičů. Byl vytvořen, aby pomohl vědcům pochopit, jak život fungoval, počínaje buňkami. 

V roce 2016 tým vytvořil JCVI-syn3.0, jednobuněčný organismus s méně geny než jakákoli jiná známá forma jednoduchého života (pouze 473 genů ve srovnání s 1.0 geny JVCI-syn901). Organismus však jednal nepředvídatelným způsobem. Místo toho, aby produkoval zdravé buňky, vytvořil během sebereplikace ty podivně tvarované. Vědci si uvědomili, že z původní buňky odstranili příliš mnoho genů, včetně těch, které jsou zodpovědné za normální buněčné dělení. 

Rušivý dopad

Biofyzici z Massachusetts Institute of Technology (MIT) a National Institute of Standards and Technology (NIST) byli odhodláni najít zdravý organismus s co nejmenším počtem genů a v roce 3.0 remixovali kód JCVI-syn2021. Podařilo se jim vytvořit nová varianta s názvem JCVI-syn3A. I když má tato nová buňka pouze 500 genů, díky práci vědců se chová spíše jako běžná buňka. 

Vědci pracují na odstranění buňky ještě dále. V roce 2021 se nový syntetický organismus známý jako M. mycoides JCVI-syn3B vyvíjel 300 dní, což prokázalo, že může za různých okolností mutovat. Bioinženýři jsou také optimističtí, že efektivnější organismus může vědcům pomoci studovat život na jeho nejzákladnější úrovni a pochopit, jak nemoci postupují.

V roce 2022 vytvořil tým vědců z University of Illinois v Urbana-Champaign, JVCI a německé Technische Universität Dresden počítačový model JCVI-syn3A. Tento model by mohl přesně předpovědět růst a molekulární strukturu svého analogu v reálném životě. Od roku 2022 to byl nejúplnější celobuněčný model, který počítač simuloval.

Tyto simulace mohou poskytnout cenné informace. Tato data zahrnují procesy metabolismu, růstu a genetické informace v průběhu buněčného cyklu. Analýza nabízí pohled na principy života a na to, jak buňky spotřebovávají energii, včetně aktivního transportu aminokyselin, nukleotidů a iontů. Vzhledem k tomu, že výzkum minimálních buněk neustále roste, vědci mohou vytvářet lepší syntetické biologické systémy, které lze použít k vývoji léků, studiu nemocí a objevování genetických terapií.

Důsledky umělých minimálních buněk

Širší důsledky vývoje umělých minimálních buněk mohou zahrnovat: 

• Více globální spolupráce k vytvoření okleštěných, ale fungujících systémů života pro výzkum.
• Zvýšené využití strojového učení a počítačového modelování k mapování biologických struktur, jako jsou krevní buňky a proteiny.
• Pokročilá syntetická biologie a hybridy stroj-organismus, včetně tělo na čipu a živých robotů. Nicméně, tyto experimenty mohou obdržet etické stížnosti od některých vědců.
• Některé biotechnologické a biofarmaceutické firmy intenzivně investují do iniciativ syntetické biologie, aby urychlily vývoj léků a terapie.
• Větší inovace a objevy v genetických úpravách, protože vědci získávají více informací o genech a o tom, jak s nimi lze manipulovat.
• Posílené předpisy o biotechnologickém výzkumu s cílem zajistit etické postupy, chránit vědeckou integritu a důvěru veřejnosti.
• Vznik nových vzdělávacích a školicích programů zaměřených na syntetickou biologii a umělé formy života, vybavující další generaci vědců specializovanými dovednostmi.
• Posun ve strategiích zdravotní péče směrem k personalizované medicíně, využívající umělé buňky a syntetickou biologii pro léčbu a diagnostiku na míru.

Otázky k zamyšlení

• Pokud pracujete v oblasti syntetické biologie, jaké jsou další výhody minimálních buněk?
• Jak mohou organizace a instituce spolupracovat na rozvoji syntetické biologie?