Künstliche Minimalzellen: Genügend Leben für die medizinische Forschung schaffen

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  Quantumrun-Vorausschau
• 23. Dezember 2022

Zusammenfassung der Einblicke

Um das Wesentliche des Lebens zu erforschen, haben Wissenschaftler Genome reduziert, um minimale Zellen zu schaffen und so die für das Leben notwendigen Kernfunktionen aufzudecken. Diese Bemühungen haben zu unerwarteten Entdeckungen und Herausforderungen geführt, beispielsweise zu unregelmäßigen Zellformen, was zu einer weiteren Verfeinerung und einem besseren Verständnis der genetischen Grundlagen führte. Diese Forschung ebnet den Weg für Fortschritte in der synthetischen Biologie mit potenziellen Anwendungen in der Arzneimittelentwicklung, Krankheitsforschung und personalisierten Medizin.

Kontext der künstlichen Minimalzellen

Künstliche Minimalzellen oder Genomminimierung ist ein praktischer Ansatz der synthetischen Biologie, um zu verstehen, wie Wechselwirkungen zwischen essentiellen Genen lebenswichtige physiologische Prozesse hervorrufen. Die Genomminimierung verwendete eine Design-Build-Test-Learn-Methode, die sich auf die Bewertung und Kombination modularer Genomsegmente und Informationen aus der Transposon-Mutagenese (dem Prozess der Übertragung von Genen von einem Wirt auf einen anderen) stützte, um Genlöschungen zu steuern. Diese Methode reduzierte die Voreingenommenheit beim Auffinden essentieller Gene und gab den Wissenschaftlern die Werkzeuge an die Hand, um das Genom und seine Funktionen zu verändern, neu aufzubauen und zu untersuchen.

Im Jahr 2010 gaben Wissenschaftler des US-amerikanischen J. Craig Venter Institute (JVCI) bekannt, dass sie die DNA des Bakteriums Mycoplasma capricolum erfolgreich eliminiert und durch computergenerierte DNA ersetzt haben, die auf einem anderen Bakterium, Mycoplasma mycoides, basiert. Das Team nannte seinen neuen Organismus JCVI-syn1.0 oder kurz „Synthetic“. Dieser Organismus war die erste sich selbst replizierende Spezies auf der Erde, die aus Computereltern bestand. Es wurde geschaffen, um Wissenschaftlern dabei zu helfen, zu verstehen, wie das Leben funktioniert, beginnend mit den Zellen. 

2016 schuf das Team JCVI-syn3.0, einen einzelligen Organismus mit weniger Genen als jede andere bekannte Form einfachen Lebens (nur 473 Gene im Vergleich zu den 1.0 Genen von JVCI-syn901). Der Organismus handelte jedoch auf unvorhersehbare Weise. Anstatt gesunde Zellen zu produzieren, erzeugte es während der Selbstreplikation seltsam geformte. Wissenschaftler stellten fest, dass sie zu viele Gene aus der ursprünglichen Zelle entfernt hatten, einschließlich derjenigen, die für die normale Zellteilung verantwortlich waren. 

Störende Wirkung

Entschlossen, einen gesunden Organismus mit möglichst wenigen Genen zu finden, haben Biophysiker des Massachusetts Institute of Technology (MIT) und des National Institute of Standards and Technology (NIST) im Jahr 3.0 den JCVI-syn2021-Code neu gemischt neue Variante namens JCVI-syn3A. Obwohl diese neue Zelle nur 500 Gene hat, verhält sie sich dank der Arbeit der Forscher eher wie eine normale Zelle. 

Wissenschaftler arbeiten daran, die Zelle noch weiter zu zerlegen. Im Jahr 2021 entwickelte sich ein neuer synthetischer Organismus namens M. mycoides JCVI-syn3B 300 Tage lang und zeigte, dass er unter verschiedenen Umständen mutieren kann. Bioingenieure sind auch optimistisch, dass ein schlankerer Organismus Wissenschaftlern helfen kann, das Leben auf seiner grundlegendsten Ebene zu studieren und zu verstehen, wie Krankheiten fortschreiten.

Im Jahr 2022 erstellte ein Team von Wissenschaftlern der University of Illinois at Urbana-Champaign, JVCI und der Technischen Universität Dresden mit Sitz in Deutschland ein Computermodell von JCVI-syn3A. Dieses Modell konnte das Wachstum und die molekulare Struktur seines realen Analogons genau vorhersagen. Ab 2022 war es das vollständigste Ganzzellmodell, das ein Computer simuliert hat.

Diese Simulationen können wertvolle Informationen liefern. Diese Daten umfassen Stoffwechsel, Wachstum und genetische Informationsprozesse über einen Zellzyklus. Die Analyse bietet Einblicke in die Prinzipien des Lebens und wie Zellen Energie verbrauchen, einschließlich des aktiven Transports von Aminosäuren, Nukleotiden und Ionen. Da die minimale Zellforschung weiter zunimmt, können Wissenschaftler bessere Systeme der synthetischen Biologie entwickeln, die zur Entwicklung von Medikamenten, zur Erforschung von Krankheiten und zur Entdeckung von Gentherapien verwendet werden können.

Implikationen künstlicher Minimalzellen

Weitere Auswirkungen der Entwicklung künstlicher Minimalzellen können sein: 

• Mehr globale Kooperationen, um abgespeckte, aber funktionierende Lebenssysteme für die Forschung zu schaffen.
• Verstärkter Einsatz von maschinellem Lernen und Computermodellierung zur Kartierung biologischer Strukturen wie Blutzellen und Proteine.
• Fortgeschrittene synthetische Biologie und Maschinen-Organismus-Hybride, einschließlich Body-on-a-Chip und lebende Roboter. Diese Experimente könnten jedoch von einigen Wissenschaftlern ethische Beschwerden erhalten.
• Einige Biotech- und Biopharmaunternehmen investieren stark in Initiativen zur synthetischen Biologie, um die Entwicklung von Arzneimitteln und Therapien zu beschleunigen.
• Erhöhte Innovation und Entdeckungen in der genetischen Bearbeitung, da Wissenschaftler mehr über Gene und ihre Manipulation lernen.
• Verbesserte Vorschriften für die biotechnologische Forschung, um ethische Praktiken sicherzustellen und sowohl die wissenschaftliche Integrität als auch das Vertrauen der Öffentlichkeit zu schützen.
• Entstehung neuer Bildungs- und Ausbildungsprogramme mit Schwerpunkt auf synthetischer Biologie und künstlichen Lebensformen, die die nächste Generation von Wissenschaftlern mit speziellen Fähigkeiten ausstatten.
• Verlagerung der Gesundheitsstrategien hin zur personalisierten Medizin, die künstliche Zellen und synthetische Biologie für maßgeschneiderte Behandlungen und Diagnostik nutzt.

Fragen zu berücksichtigen

• Wenn Sie im Bereich der synthetischen Biologie arbeiten, was sind die anderen Vorteile von Minimalzellen?
• Wie können Organisationen und Institutionen zusammenarbeiten, um die Synthetische Biologie voranzubringen?