Kunstlikud minimaalsed rakud: piisava eluea loomine meditsiiniuuringute jaoks

• Autor:
• autori nimi

  Quantumrun Foresight
• Detsember 23, 2022

Ülevaate kokkuvõte

Elu põhialuseid uurides on teadlased vähendanud genoome, et luua minimaalselt rakke, paljastades eluks vajalikud põhifunktsioonid. Need jõupingutused on toonud kaasa ootamatuid avastusi ja väljakutseid, nagu ebakorrapärased rakukujud, mis on ajendanud geneetilisi põhialuseid täiendavalt täpsustama ja mõistma. See uurimus sillutab teed sünteetilise bioloogia edusammudele koos potentsiaalsete rakendustega ravimite väljatöötamisel, haiguste uurimisel ja personaliseeritud meditsiinis.

Kunstlik minimaalsete rakkude kontekst

Kunstlikud minimaalsed rakud või genoomi minimeerimine on praktiline sünteetilise bioloogia lähenemisviis, et mõista, kuidas oluliste geenide vahelised interaktsioonid põhjustavad olulisi füsioloogilisi protsesse. Genoomi minimeerimiseks kasutati geenide deletsioonide suunamiseks disaini-ehitamise-testimise-õppimise meetodit, mis põhines modulaarsete genoomsete segmentide ja transposooni mutageneesi (geenide ühest peremeesorganismist teise ülekandmise protsess) hindamisel ja kombineerimisel. See meetod vähendas oluliste geenide leidmisel eelarvamusi ja andis teadlastele vahendid genoomi ja selle toimimise muutmiseks, ümberehitamiseks ja uurimiseks.

2010. aastal teatasid USA-s asuva J. Craig Venteri Instituudi (JVCI) teadlased, et nad on edukalt kõrvaldanud bakteri Mycoplasma capricolum DNA ja asendanud selle arvutiga genereeritud DNA-ga, mis põhineb teisel bakteril Mycoplasma mycoides. Meeskond nimetas oma uue organismi JCVI-syn1.0 või lühidalt "Synthetic". See organism oli esimene isepaljunev liik Maal, mis koosnes arvutivanematest. See loodi selleks, et aidata teadlastel mõista, kuidas elu toimis, alustades rakkudest. 

2016. aastal lõi meeskond JCVI-syn3.0, üherakulise organismi, millel on vähem geene kui mis tahes muus teadaolevas lihtsas elus (ainult 473 geeni võrreldes JVCI-syn1.0 901 geeniga). Organism tegutses aga ettearvamatult. Selle asemel, et toota terveid rakke, lõi see isepaljunemise käigus veidra kujuga rakke. Teadlased mõistsid, et nad olid algsest rakust eemaldanud liiga palju geene, sealhulgas need, mis vastutavad normaalse raku jagunemise eest. 

Häiriv mõju

Otsustades leida võimalikult väheste geenidega terve organism, muutsid Massachusettsi Tehnoloogiainstituudi (MIT) ja Riikliku Standardi- ja Tehnoloogiainstituudi (NIST) biofüüsikud 3.0. aastal JCVI-syn2021 koodi uuesti kokku. Nad suutsid luua uus variant nimega JCVI-syn3A. Kuigi sellel uuel rakul on vaid 500 geeni, käitub see tänu teadlaste tööle rohkem nagu tavaline rakk. 

Teadlased töötavad selle nimel, et rakku veelgi hävitada. 2021. aastal arenes 3 päeva jooksul välja uus sünteetiline organism, mida tuntakse nime all M. mycoides JCVI-syn300B, mis näitab, et see võib erinevatel asjaoludel muteeruda. Bioinsenerid on ka optimistlikud, et voolujoonelisem organism võib aidata teadlastel uurida elu kõige elementaarsemal tasemel ja mõista, kuidas haigused arenevad.

2022. aastal lõi teadlaste meeskond Illinoisi ülikoolist Urbana-Champaignis (JVCI) ja Saksamaal asuvast Dresdeni tehnikaülikoolist JCVI-syn3A arvutimudeli. See mudel võib täpselt ennustada oma tegeliku analoogi kasvu ja molekulaarstruktuuri. 2022. aasta seisuga oli see kõige täiuslikum täisraku mudel, mida arvuti on simuleerinud.

Need simulatsioonid võivad anda väärtuslikku teavet. Need andmed hõlmavad ainevahetust, kasvu ja geneetilisi teabeprotsesse rakutsükli jooksul. Analüüs annab ülevaate elu põhimõtetest ja sellest, kuidas rakud energiat tarbivad, sealhulgas aminohapete, nukleotiidide ja ioonide aktiivset transporti. Kuna minimaalne rakuuuringute arv kasvab, saavad teadlased luua paremaid sünteetilisi bioloogiasüsteeme, mida saab kasutada ravimite väljatöötamiseks, haiguste uurimiseks ja geneetiliste ravimeetodite avastamiseks.

Kunstlike minimaalsete rakkude tagajärjed

Kunstlike minimaalsete rakkude arendamise laiemad tagajärjed võivad hõlmata järgmist: 

• Rohkem globaalseid koostöövõimalusi, et luua teadustöö jaoks mahajäetud, kuid toimivaid elusüsteeme.
• Suurenenud masinõppe ja arvutimodelleerimise kasutamine bioloogiliste struktuuride, näiteks vererakkude ja valkude kaardistamiseks.
• Täiustatud sünteetiline bioloogia ja masin-organismi hübriidid, sealhulgas keha-kiibil ja elusrobotid. Siiski võivad mõned teadlased nende katsete kohta eetilisi kaebusi esitada.
• Mõned biotehnoloogia- ja biofarmaatsiaettevõtted investeerivad palju sünteetilise bioloogia algatustesse, et kiirendada ravimite ja teraapiate arengut.
• Suurenenud innovatsioon ja avastused geneetilise redigeerimise vallas, kuna teadlased saavad rohkem teada geenide ja nendega manipuleerimise kohta.
• Biotehnoloogiliste uuringute tõhustatud eeskirjad, et tagada eetilised tavad, kaitstes nii teaduslikku ausust kui ka üldsuse usaldust.
• Uute sünteetilisele bioloogiale ja tehislikele eluvormidele keskendunud haridus- ja koolitusprogrammide esilekerkimine, mis varustavad järgmise põlvkonna teadlasi erioskustega.
• Nihe tervishoiustrateegiates personaliseeritud meditsiini suunas, kasutades tehisrakke ja sünteetilist bioloogiat kohandatud ravi ja diagnostika jaoks.

Küsimused, mida kaaluda

• Kui töötate sünteetilise bioloogia valdkonnas, siis millised on minimaalsete rakkude muud eelised?
• Kuidas saavad organisatsioonid ja institutsioonid sünteetilise bioloogia edendamiseks koostööd teha?