Τεχνητά ελάχιστα κύτταρα: Δημιουργία αρκετής ζωής για ιατρική έρευνα

ΠΙΣΤΩΣΗ ΕΙΚΟΝΑΣ:
Πιστωτικά Εικόνα
iStock

Τεχνητά ελάχιστα κύτταρα: Δημιουργία αρκετής ζωής για ιατρική έρευνα

Τεχνητά ελάχιστα κύτταρα: Δημιουργία αρκετής ζωής για ιατρική έρευνα

Κείμενο υπότιτλου
Οι επιστήμονες συγχωνεύουν το μοντέλο υπολογιστών, τη γενετική επεξεργασία και τη συνθετική βιολογία για να δημιουργήσουν τα τέλεια δείγματα για ιατρικές μελέτες.
    • Συγγραφέας:
    • όνομα συγγραφέα
      Quantumrun Foresight
    • Δεκέμβριος 23, 2022

    Περίληψη Insight

    Εξερευνώντας τα βασικά στοιχεία της ζωής, οι επιστήμονες μειώνουν τα γονιδιώματα για να δημιουργήσουν ελάχιστα κύτταρα, αποκαλύπτοντας τις βασικές λειτουργίες που είναι απαραίτητες για τη ζωή. Αυτές οι προσπάθειες οδήγησαν σε απροσδόκητες ανακαλύψεις και προκλήσεις, όπως τα ακανόνιστα σχήματα των κυττάρων, προκαλώντας περαιτέρω βελτίωση και κατανόηση των βασικών γενετικών στοιχείων. Αυτή η έρευνα ανοίγει το δρόμο για προόδους στη συνθετική βιολογία, με πιθανές εφαρμογές στην ανάπτυξη φαρμάκων, τη μελέτη ασθενειών και την εξατομικευμένη ιατρική.

    Τεχνητά ελάχιστα κελιά πλαίσιο

    Τα τεχνητά ελάχιστα κύτταρα ή η ελαχιστοποίηση γονιδιώματος είναι μια πρακτική προσέγγιση συνθετικής βιολογίας για την κατανόηση του τρόπου με τον οποίο οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ των βασικών γονιδίων δημιουργούν ζωτικές φυσιολογικές διεργασίες. Η ελαχιστοποίηση του γονιδιώματος χρησιμοποίησε μια μέθοδο design-build-test-learn που βασιζόταν στην αξιολόγηση και τον συνδυασμό αρθρωτών γονιδιωματικών τμημάτων και πληροφοριών από τη μεταλλαξιογένεση τρανσποζονίων (η διαδικασία μεταφοράς γονιδίων από έναν ξενιστή στον άλλο) για να βοηθήσει στην καθοδήγηση των διαγραφών γονιδίων. Αυτή η μέθοδος μείωσε την προκατάληψη κατά την εύρεση βασικών γονιδίων και έδωσε στους επιστήμονες τα εργαλεία για να αλλάξουν, να ξαναχτίσουν και να μελετήσουν το γονιδίωμα και τι κάνει.

    Το 2010, επιστήμονες στο Ινστιτούτο J. Craig Venter (JVCI) με έδρα τις ΗΠΑ ανακοίνωσαν ότι είχαν εξαλείψει επιτυχώς το DNA του βακτηρίου Mycoplasma capricolum και το αντικατέστησαν με DNA που δημιουργήθηκε από υπολογιστή που βασίζεται σε ένα άλλο βακτήριο, το Mycoplasma mycoides. Η ομάδα ονόμασε τον νέο τους οργανισμό JCVI-syn1.0, ή «Συνθετικό», για συντομία. Αυτός ο οργανισμός ήταν το πρώτο αυτοαναπαραγόμενο είδος στη Γη που αποτελείται από γονείς υπολογιστών. Δημιουργήθηκε για να βοηθήσει τους επιστήμονες να κατανοήσουν πώς λειτουργούσε η ζωή, ξεκινώντας από τα κύτταρα και πάνω. 

    Το 2016, η ομάδα δημιούργησε τον JCVI-syn3.0, έναν μονοκύτταρο οργανισμό με λιγότερα γονίδια από οποιαδήποτε άλλη γνωστή μορφή απλής ζωής (μόνο 473 γονίδια σε σύγκριση με τα 1.0 γονίδια του JVCI-syn901). Ωστόσο, ο οργανισμός ενήργησε με απρόβλεπτους τρόπους. Αντί να παράγει υγιή κύτταρα, δημιούργησε παράξενα διαμορφωμένα κύτταρα κατά την αυτο-αντιγραφή. Οι επιστήμονες συνειδητοποίησαν ότι είχαν αφαιρέσει πάρα πολλά γονίδια από το αρχικό κύτταρο, συμπεριλαμβανομένων εκείνων που είναι υπεύθυνα για τη φυσιολογική κυτταρική διαίρεση. 

    Αποδιοργανωτικός αντίκτυπος

    Αποφασισμένοι να βρουν έναν υγιή οργανισμό με τα λιγότερα δυνατά γονίδια, βιοφυσικοί από το Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης (MIT) και το Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας (NIST) αναμείξανε τον κώδικα JCVI-syn3.0 το 2021. Κατάφεραν να δημιουργήσουν ένα νέα παραλλαγή που ονομάζεται JCVI-syn3A. Παρόλο που αυτό το νέο κύτταρο έχει μόνο 500 γονίδια, συμπεριφέρεται περισσότερο σαν ένα κανονικό κύτταρο χάρη στη δουλειά των ερευνητών. 

    Οι επιστήμονες εργάζονται για να απογυμνώσουν ακόμη περισσότερο το κύτταρο. Το 2021, ένας νέος συνθετικός οργανισμός γνωστός ως M. mycoides JCVI-syn3B εξελίχθηκε για 300 ημέρες, αποδεικνύοντας ότι μπορεί να μεταλλαχθεί υπό διαφορετικές συνθήκες. Οι βιομηχανικοί είναι επίσης αισιόδοξοι ότι ένας πιο βελτιωμένος οργανισμός μπορεί να βοηθήσει τους επιστήμονες να μελετήσουν τη ζωή στο πιο βασικό της επίπεδο και να κατανοήσουν πώς εξελίσσονται οι ασθένειες.

    Το 2022, μια ομάδα επιστημόνων από το Πανεπιστήμιο του Ιλινόις στο Urbana-Champaign, το JVCI και το Technische Universität Dresden με έδρα τη Γερμανία δημιούργησαν ένα μοντέλο υπολογιστή του JCVI-syn3A. Αυτό το μοντέλο θα μπορούσε να προβλέψει με ακρίβεια την ανάπτυξη και τη μοριακή δομή του πραγματικού αναλόγου του. Από το 2022, ήταν το πιο ολοκληρωμένο μοντέλο ολόκληρων κυττάρων που έχει προσομοιώσει ένας υπολογιστής.

    Αυτές οι προσομοιώσεις μπορούν να παρέχουν πολύτιμες πληροφορίες. Αυτά τα δεδομένα περιλαμβάνουν μεταβολισμό, ανάπτυξη και διαδικασίες γενετικών πληροφοριών σε έναν κυτταρικό κύκλο. Η ανάλυση προσφέρει πληροφορίες για τις αρχές της ζωής και τον τρόπο με τον οποίο τα κύτταρα καταναλώνουν ενέργεια, συμπεριλαμβανομένης της ενεργού μεταφοράς αμινοξέων, νουκλεοτιδίων και ιόντων. Καθώς η ελάχιστη κυτταρική έρευνα συνεχίζει να αυξάνεται, οι επιστήμονες μπορούν να δημιουργήσουν καλύτερα συστήματα συνθετικής βιολογίας που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την ανάπτυξη φαρμάκων, τη μελέτη ασθενειών και την ανακάλυψη γενετικών θεραπειών.

    Επιπτώσεις τεχνητών ελάχιστων κυττάρων

    Οι ευρύτερες συνέπειες της ανάπτυξης τεχνητών ελάχιστων κυττάρων μπορεί να περιλαμβάνουν: 

    • Περισσότερες παγκόσμιες συνεργασίες για τη δημιουργία απογυμνωμένων αλλά λειτουργικών συστημάτων ζωής για έρευνα.
    • Αυξήθηκε η χρήση μηχανικής μάθησης και μοντελοποίησης υπολογιστή για τη χαρτογράφηση βιολογικών δομών, όπως τα κύτταρα του αίματος και οι πρωτεΐνες.
    • Προηγμένα υβρίδια συνθετικής βιολογίας και μηχανής-οργανισμού, συμπεριλαμβανομένων των body-on-a-chip και των ζωντανών ρομπότ. Ωστόσο, αυτά τα πειράματα ενδέχεται να λάβουν ηθικά παράπονα από ορισμένους επιστήμονες.
    • Ορισμένες εταιρείες βιοτεχνολογίας και βιοφαρμακευτικών εταιρειών επενδύουν σε μεγάλο βαθμό σε πρωτοβουλίες συνθετικής βιολογίας για να επιταχύνουν τις εξελίξεις στα φάρμακα και τη θεραπεία.
    • Αυξημένη καινοτομία και ανακαλύψεις στη γενετική επεξεργασία καθώς οι επιστήμονες μαθαίνουν περισσότερα για τα γονίδια και τον τρόπο χειραγώγησής τους.
    • Ενισχυμένοι κανονισμοί για τη βιοτεχνολογική έρευνα για τη διασφάλιση ηθικών πρακτικών, διασφαλίζοντας τόσο την επιστημονική ακεραιότητα όσο και την εμπιστοσύνη του κοινού.
    • Εμφάνιση νέων εκπαιδευτικών και εκπαιδευτικών προγραμμάτων που επικεντρώνονται στη συνθετική βιολογία και τις τεχνητές μορφές ζωής, εξοπλίζοντας την επόμενη γενιά επιστημόνων με εξειδικευμένες δεξιότητες.
    • Μετατόπιση των στρατηγικών υγειονομικής περίθαλψης προς την εξατομικευμένη ιατρική, χρησιμοποιώντας τεχνητά κύτταρα και συνθετική βιολογία για εξατομικευμένες θεραπείες και διαγνωστικά.

    Ερωτήσεις προς εξέταση

    • Εάν εργάζεστε στον τομέα της συνθετικής βιολογίας, ποια είναι τα άλλα οφέλη των ελάχιστων κυττάρων;
    • Πώς μπορούν οι οργανισμοί και τα ιδρύματα να συνεργαστούν για να προωθήσουν τη συνθετική βιολογία;