Umjetne minimalne stanice: Stvaranje dovoljno života za medicinska istraživanja

• Autor:
• ime autora

  Quantumrun Foresight
• Prosinac 23, 2022

Sažetak uvida

Istražujući osnove života, znanstvenici su smanjivali genome kako bi stvorili minimalne stanice, otkrivajući temeljne funkcije potrebne za život. Ti su napori doveli do neočekivanih otkrića i izazova, kao što su nepravilni oblici stanica, što je dovelo do daljnjeg usavršavanja i razumijevanja genetskih osnova. Ovo istraživanje utire put napretku u sintetskoj biologiji, s potencijalnom primjenom u razvoju lijekova, proučavanju bolesti i personaliziranoj medicini.

Kontekst umjetnih minimalnih stanica

Umjetne minimalne stanice ili minimizacija genoma praktičan je pristup sintetičke biologije za razumijevanje kako interakcije između bitnih gena dovode do vitalnih fizioloških procesa. Minimizacija genoma koristila je metodu dizajn-izgradi-testiraj-nauči koja se oslanjala na procjenu i kombinaciju modularnih genomskih segmenata i informacija iz mutageneze transpozona (proces prijenosa gena s jednog domaćina na drugog) kako bi se pomoglo u vođenju brisanja gena. Ova je metoda smanjila pristranost pri pronalaženju bitnih gena i dala znanstvenicima alate za promjenu, ponovnu izgradnju i proučavanje genoma i onoga što on radi.

Godine 2010. znanstvenici s američkog instituta J. Craig Venter (JVCI) objavili su da su uspješno eliminirali DNK bakterije Mycoplasma capricolum i zamijenili je računalno generiranom DNK na temelju druge bakterije, Mycoplasma mycoides. Tim je svoj novi organizam nazvao JCVI-syn1.0 ili skraćeno 'Sintetički'. Ovaj organizam bio je prva samoreplicirajuća vrsta na Zemlji koja se sastojala od računalnih roditelja. Napravljen je kako bi znanstvenicima pomogao razumjeti kako život funkcionira, počevši od stanica. 

Godine 2016. tim je stvorio JCVI-syn3.0, jednostanični organizam s manje gena od bilo kojeg drugog poznatog oblika jednostavnog života (samo 473 gena u usporedbi s 1.0 genom JVCI-syn901). Međutim, organizam je djelovao na nepredvidiv način. Umjesto da proizvodi zdrave stanice, stvorio je one neobičnog oblika tijekom samoumnožavanja. Znanstvenici su shvatili da su uklonili previše gena iz izvorne stanice, uključujući one odgovorne za normalnu diobu stanica. 

Razarajući učinak

Odlučni pronaći zdrav organizam sa što manje gena, biofizičari s Massachusetts Institute of Technology (MIT) i Nacionalnog instituta za standarde i tehnologiju (NIST) remiksirali su kod JCVI-syn3.0 2021. Uspjeli su stvoriti nova varijanta nazvana JCVI-syn3A. Iako ova nova stanica ima samo 500 gena, ponaša se više kao obična stanica zahvaljujući radu istraživača. 

Znanstvenici rade na tome da još više ogole stanicu. Godine 2021. novi sintetski organizam poznat kao M. mycoides JCVI-syn3B evoluirao je 300 dana, pokazujući da može mutirati pod različitim okolnostima. Bioinženjeri su također optimistični da moderniji organizam može pomoći znanstvenicima u proučavanju života na njegovoj najosnovnijoj razini i razumijevanju razvoja bolesti.

Godine 2022. tim znanstvenika sa Sveučilišta Illinois u Urbana-Champaignu, JVCI i njemačkog Technische Universität Dresden stvorio je računalni model JCVI-syn3A. Ovaj model mogao bi točno predvidjeti rast i molekularnu strukturu svog stvarnog analoga. Od 2022. to je bio najpotpuniji model cijele stanice koji je računalo simuliralo.

Ove simulacije mogu pružiti vrijedne informacije. Ovi podaci uključuju metabolizam, rast i genetske informacijske procese tijekom staničnog ciklusa. Analiza nudi uvid u principe života i kako stanice troše energiju, uključujući aktivni transport aminokiselina, nukleotida i iona. Kako minimalno istraživanje stanica nastavlja rasti, znanstvenici mogu stvoriti bolje sintetičke biološke sustave koji se mogu koristiti za razvoj lijekova, proučavanje bolesti i otkrivanje genetskih terapija.

Implikacije umjetnih minimalnih stanica

Šire implikacije razvoja umjetnih minimalnih stanica mogu uključivati: 

• Više globalne suradnje za stvaranje ogoljenih, ali funkcionalnih životnih sustava za istraživanje.
• Povećano korištenje strojnog učenja i računalnog modeliranja za mapiranje bioloških struktura, poput krvnih stanica i proteina.
• Napredna sintetička biologija i hibridi stroja i organizma, uključujući tijela na čipu i žive robote. Međutim, ovi bi eksperimenti mogli dobiti etičke pritužbe od strane nekih znanstvenika.
• Neke biotehnološke i biofarmaceutske tvrtke ulažu velika sredstva u inicijative sintetičke biologije kako bi ubrzale razvoj lijekova i terapije.
• Povećane inovacije i otkrića u genetskom uređivanju jer znanstvenici uče više o genima i kako se njima može manipulirati.
• Poboljšani propisi o biotehnološkim istraživanjima kako bi se osigurala etička praksa, čuvajući i znanstveni integritet i povjerenje javnosti.
• Pojava novih obrazovnih programa i programa osposobljavanja usmjerenih na sintetsku biologiju i umjetne oblike života, opremajući sljedeću generaciju znanstvenika posebnim vještinama.
• Pomak u strategijama zdravstvene skrbi prema personaliziranoj medicini, korištenju umjetnih stanica i sintetičke biologije za liječenje i dijagnostiku po mjeri.

Pitanja za razmatranje

• Ako radite u području sintetičke biologije, koje su druge prednosti minimalnih stanica?
• Kako organizacije i institucije mogu surađivati ​​na unapređenju sintetičke biologije?