Mesterséges minimális sejtek: elegendő élet megteremtése az orvosi kutatásokhoz

• Szerző:
• Szerző neve

  Quantumrun Foresight
• December 23, 2022

Insight összefoglaló

Az élet alapjait feltárva a tudósok redukálták a genomokat, hogy minimális sejteket hozzanak létre, felfedve az élethez szükséges alapvető funkciókat. Ezek az erőfeszítések váratlan felfedezésekhez és kihívásokhoz vezettek, például szabálytalan sejtalakokhoz, amelyek további finomításra és a genetikai alapelemek megértésére késztetnek. Ez a kutatás megnyitja az utat a szintetikus biológia fejlődéséhez, potenciális alkalmazásokkal a gyógyszerfejlesztésben, a betegségek tanulmányozásában és a személyre szabott orvoslásban.

Mesterséges minimális cella kontextus

A mesterséges minimális sejtek vagy a genom minimalizálása egy gyakorlati szintetikus biológiai megközelítés annak megértésére, hogy az esszenciális gének közötti kölcsönhatások hogyan idéznek elő létfontosságú élettani folyamatokat. A genomminimalizálás egy tervezési-építési-teszt-tanulási módszert használt, amely moduláris genomi szegmensek és a transzpozon-mutagenezisből (a gének egyik gazdaszervezetből a másikba történő átvitelének folyamatából) származó információk értékelésén és kombinálásán alapult a géndeléciók irányításához. Ez a módszer csökkentette az elfogultságot az alapvető gének megtalálásakor, és eszközöket adott a tudósoknak a genom megváltoztatásához, újjáépítéséhez és tanulmányozásához, és annak működését.

2010-ben az amerikai J. Craig Venter Institute (JVCI) tudósai bejelentették, hogy sikeresen eltávolították a Mycoplasma capricolum baktérium DNS-ét, és egy másik baktériumon, a Mycoplasma mycoidesen alapuló számítógéppel generált DNS-sel helyettesítették. A csapat az új szervezetüket JCVI-syn1.0-nak, vagy röviden „Synthetic”-nek nevezte. Ez az organizmus volt az első önszaporodó faj a Földön, amely számítógépes szülőkből állt. Azért hozták létre, hogy segítsen a tudósoknak megérteni, hogyan működik az élet, a sejtektől kezdve. 

2016-ban a csapat létrehozta a JCVI-syn3.0-t, egy egysejtű szervezetet, amely kevesebb génnel rendelkezik, mint az egyszerű élet bármely más ismert formája (csak 473 gén a JVCI-syn1.0 901 génjéhez képest). A szervezet azonban kiszámíthatatlan módon cselekedett. Ahelyett, hogy egészséges sejteket termelt volna, az önreplikáció során furcsa alakúakat hozott létre. A tudósok rájöttek, hogy túl sok gént távolítottak el az eredeti sejtből, beleértve azokat is, amelyek a normális sejtosztódásért felelősek. 

Bomlasztó hatás

A Massachusetts Institute of Technology (MIT) és a National Institute of Standards and Technology (NIST) biofizikusai 3.0-ben elhatározták, hogy egészséges szervezetet találnak a lehető legkevesebb génnel, és újrakeverték a JCVI-syn2021 kódot. új változat, a JCVI-syn3A. Annak ellenére, hogy ennek az új sejtnek csak 500 génje van, a kutatók munkájának köszönhetően jobban viselkedik, mint egy normál sejt. 

A tudósok azon dolgoznak, hogy még jobban lefaragják a sejtet. 2021-ben az M. mycoides JCVI-syn3B néven ismert új szintetikus organizmus 300 napon keresztül fejlődött ki, bizonyítva, hogy különböző körülmények között képes mutálni. A biomérnökök optimisták abban is, hogy egy egyszerűbb szervezet segíthet a tudósoknak az élet legalapvetőbb szintjén tanulmányozni, és megérteni, hogyan fejlődnek a betegségek.

2022-ben az Illinoisi Egyetem (Urbana-Champaign, JVCI) és a németországi Technische Universität Dresden tudóscsoportja létrehozta a JCVI-syn3A számítógépes modelljét. Ez a modell pontosan megjósolhatja valós analógjának növekedését és molekuláris szerkezetét. 2022-ben ez volt a számítógép által szimulált legteljesebb teljes cellás modell.

Ezek a szimulációk értékes információkkal szolgálhatnak. Ezek az adatok magukban foglalják az anyagcserét, a növekedést és a genetikai információs folyamatokat a sejtciklus során. Az elemzés betekintést nyújt az élet alapelveibe és abba, hogy a sejtek hogyan fogyasztanak energiát, beleértve az aminosavak, nukleotidok és ionok aktív transzportját. Ahogy a minimális sejtkutatás folyamatosan növekszik, a tudósok jobb szintetikus biológiai rendszereket hozhatnak létre, amelyek felhasználhatók gyógyszerek fejlesztésére, betegségek tanulmányozására és genetikai terápiák felfedezésére.

A mesterséges minimális sejtek következményei

A mesterséges minimális sejtek fejlesztésének szélesebb körű következményei lehetnek: 

• Globálisabb együttműködések lecsupaszított, de működő életrendszerek létrehozására a kutatás számára.
• Fokozott gépi tanulás és számítógépes modellezés használata biológiai struktúrák, például vérsejtek és fehérjék feltérképezésére.
• Fejlett szintetikus biológia és gép-organizmus hibridek, beleértve a chipen lévő testet és az élő robotokat. Ezekre a kísérletekre azonban egyes tudósok etikai panaszokat kaphatnak.
• Egyes biotechnológiai és biopharmacégek nagymértékben fektetnek be szintetikus biológiai kezdeményezésekbe, hogy felgyorsítsák a gyógyszer- és terápiafejlesztést.
• Fokozott innováció és felfedezések a genetikai szerkesztés terén, ahogy a tudósok többet tanulnak a génekről és azok manipulálhatóságáról.
• A biotechnológiai kutatásra vonatkozó fokozott szabályozás az etikus gyakorlatok biztosítása érdekében, megőrizve mind a tudományos integritást, mind a közbizalmat.
• A szintetikus biológiára és a mesterséges életformákra összpontosító új oktatási és képzési programok megjelenése, amelyek speciális készségekkel ruházzák fel a tudósok következő generációját.
• Áttérés az egészségügyi stratégiákban a személyre szabott orvoslás irányába, mesterséges sejtek és szintetikus biológia felhasználásával személyre szabott kezelésekhez és diagnosztikához.

Megfontolandó kérdések

• Ha a szintetikus biológia területén dolgozik, milyen egyéb előnyökkel jár a minimálsejtek?
• Hogyan működhetnek együtt szervezetek és intézmények a szintetikus biológia előmozdítása érdekében?