ხელოვნური მინიმალური უჯრედები: სამედიცინო კვლევისთვის საკმარისი სიცოცხლის შექმნა

• ავტორი:
• ავტორის სახელი

  Quantumrun Foresight
• დეკემბერი 23, 2022

Insight რეზიუმე

სიცოცხლის არსებითი ნივთების შესწავლით, მეცნიერები ამცირებდნენ გენომებს მინიმალური უჯრედების შესაქმნელად, სიცოცხლისთვის აუცილებელი ძირითადი ფუნქციების გამოსავლენად. ამ მცდელობებმა გამოიწვია მოულოდნელი აღმოჩენები და გამოწვევები, როგორიცაა უჯრედების არარეგულარული ფორმები, რამაც გამოიწვია გენეტიკური არსებითი ელემენტების შემდგომი დახვეწა და გაგება. ეს კვლევა გზას უხსნის სინთეზურ ბიოლოგიაში მიღწევებს, პოტენციური აპლიკაციებით წამლების შემუშავებაში, დაავადების შესწავლასა და პერსონალიზებულ მედიცინაში.

ხელოვნური მინიმალური უჯრედების კონტექსტი

ხელოვნური მინიმალური უჯრედები ან გენომის მინიმიზაცია არის პრაქტიკული სინთეზური ბიოლოგიის მიდგომა იმის გასაგებად, თუ როგორ იწვევს არსებითი გენების ურთიერთქმედება სასიცოცხლო ფიზიოლოგიურ პროცესებს. გენომის მინიმიზაციამ გამოიყენა დიზაინი-აშენება-ტესტი-სწავლის მეთოდი, რომელიც ეყრდნობოდა გენომის მოდულარული სეგმენტების შეფასებას და კომბინაციას და ინფორმაციას ტრანსპოზონის მუტაგენეზიდან (გენების გადაცემის პროცესი ერთი მასპინძლიდან მეორეზე) გენების წაშლის მართვაში. ამ მეთოდმა შეამცირა მიკერძოება არსებითი გენების პოვნისას და მეცნიერებს მისცა გენომისა და მისი მოქმედების შესაცვლელად, აღდგენისა და შესწავლის ინსტრუმენტები.

2010 წელს აშშ-ში დაფუძნებულმა ჯ. კრეიგ ვენტერის ინსტიტუტის (JVCI) მეცნიერებმა განაცხადეს, რომ მათ წარმატებით გაანადგურეს ბაქტერიის Mycoplasma capricolum-ის დნმ და შეცვალეს იგი კომპიუტერით გენერირებული დნმ-ით, რომელიც დაფუძნებულია სხვა ბაქტერიაზე, Mycoplasma mycoides-ზე. გუნდმა თავის ახალ ორგანიზმს დაარქვა JCVI-syn1.0, ანუ „სინთეზური“, მოკლედ. ეს ორგანიზმი იყო პირველი თვითგამრავლებადი სახეობა დედამიწაზე, რომელიც შედგებოდა კომპიუტერის მშობლებისგან. ის შეიქმნა იმისათვის, რომ მეცნიერებს გაეგოთ, თუ როგორ მუშაობდა სიცოცხლე, დაწყებული უჯრედებიდან. 

2016 წელს გუნდმა შექმნა JCVI-syn3.0, ერთუჯრედიანი ორგანიზმი, რომელსაც აქვს ნაკლები გენები, ვიდრე უბრალო ცხოვრების ნებისმიერი სხვა ცნობილი ფორმა (მხოლოდ 473 გენი JVCI-syn1.0-ის 901 გენთან შედარებით). თუმცა ორგანიზმი არაპროგნოზირებადი გზებით მოქმედებდა. ჯანსაღი უჯრედების წარმოქმნის ნაცვლად, მან შექმნა უცნაური ფორმის უჯრედები თვითგამრავლების დროს. მეცნიერებმა გააცნობიერეს, რომ მათ ამოიღეს ძალიან ბევრი გენი თავდაპირველი უჯრედიდან, მათ შორის ის, ვინც პასუხისმგებელია უჯრედების ნორმალურ გაყოფაზე. 

დამრღვევი გავლენა

მასაჩუსეტსის ტექნოლოგიური ინსტიტუტის (MIT) და სტანდარტებისა და ტექნოლოგიების ეროვნული ინსტიტუტის (NIST) ბიოფიზიკოსებმა, რომლებმაც გადაწყვიტეს იპოვონ ჯანსაღი ორგანიზმი, რაც შეიძლება ნაკლები გენით, 3.0 წელს შეცვალეს JCVI-syn2021 კოდი. მათ შეძლეს შეექმნათ ახალი ვარიანტი სახელწოდებით JCVI-syn3A. მიუხედავად იმისა, რომ ამ ახალ უჯრედს მხოლოდ 500 გენი აქვს, მკვლევარების მუშაობის წყალობით ის ჩვეულებრივ უჯრედს ჰგავს. 

მეცნიერები მუშაობენ უჯრედის კიდევ უფრო გაშიშვლებაზე. 2021 წელს ახალი სინთეზური ორგანიზმი, რომელიც ცნობილია როგორც M. mycoides JCVI-syn3B, 300 დღის განმავლობაში განვითარდა, რაც აჩვენა, რომ მას შეუძლია მუტაცია სხვადასხვა გარემოებებში. ბიოინჟინრები ასევე ოპტიმისტურად არიან განწყობილნი, რომ უფრო გამარტივებულ ორგანიზმს შეუძლია დაეხმაროს მეცნიერებს ცხოვრების ყველაზე საბაზისო დონეზე შესწავლაში და იმის გაგებაში, თუ როგორ ვითარდება დაავადებები.

2022 წელს მეცნიერთა ჯგუფმა ილინოისის უნივერსიტეტიდან Urbana-Champaign-ში, JVCI-დან და გერმანიაში დაფუძნებული Technische Universität Dresden-დან შექმნა JCVI-syn3A-ს კომპიუტერული მოდელი. ამ მოდელს შეუძლია ზუსტად განსაზღვროს მისი რეალური ანალოგის ზრდა და მოლეკულური სტრუქტურა. 2022 წლის მდგომარეობით, ეს იყო ყველაზე სრულყოფილი მთლიანი უჯრედული მოდელი, რომელიც კომპიუტერმა მოახდინა სიმულაციაზე.

ამ სიმულაციას შეუძლია ღირებული ინფორმაციის მიწოდება. ეს მონაცემები მოიცავს მეტაბოლიზმს, ზრდას და გენეტიკური ინფორმაციის პროცესებს უჯრედულ ციკლში. ანალიზი გვთავაზობს ცხოვრების პრინციპებს და როგორ მოიხმარენ უჯრედები ენერგიას, მათ შორის ამინომჟავების, ნუკლეოტიდების და იონების აქტიურ ტრანსპორტირებას. უჯრედების მინიმალური კვლევების ზრდასთან ერთად, მეცნიერებს შეუძლიათ შექმნან უკეთესი სინთეზური ბიოლოგიური სისტემები, რომლებიც შეიძლება გამოყენებულ იქნას წამლების შესაქმნელად, დაავადებების შესასწავლად და გენეტიკური თერაპიის აღმოსაჩენად.

ხელოვნური მინიმალური უჯრედების გავლენა

ხელოვნური მინიმალური უჯრედების განვითარების უფრო ფართო შედეგები შეიძლება მოიცავდეს: 

• მეტი გლობალური თანამშრომლობა კვლევისთვის გაშიშვლებული, მაგრამ ფუნქციონალური ცხოვრების სისტემების შესაქმნელად.
• გაზრდილი მანქანათმცოდნეობის და კომპიუტერული მოდელირების გამოყენება ბიოლოგიური სტრუქტურების, როგორიცაა სისხლის უჯრედები და ცილები, რუკაზე.
• მოწინავე სინთეზური ბიოლოგია და მანქანა-ორგანიზმის ჰიბრიდები, მათ შორის სხეული ჩიპზე და ცოცხალი რობოტები. თუმცა, ამ ექსპერიმენტებმა შესაძლოა ეთიკური საჩივრები მიიღოს ზოგიერთი მეცნიერისგან.
• ზოგიერთი ბიოტექნოლოგიისა და ბიოფარმას ფირმა დიდ ინვესტიციას ახორციელებს სინთეზური ბიოლოგიის ინიციატივებში წამლებისა და თერაპიის განვითარების დაჩქარების მიზნით.
• გაიზარდა ინოვაციები და აღმოჩენები გენეტიკურ რედაქტირებაში, რადგან მეცნიერები უფრო მეტს სწავლობენ გენების შესახებ და როგორ შეიძლება მათი მანიპულირება.
• ბიოტექნოლოგიური კვლევის გაძლიერებული რეგულაციები ეთიკური პრაქტიკის უზრუნველსაყოფად, როგორც მეცნიერული მთლიანობისა და საზოგადოების ნდობის დაცვის მიზნით.
• სინთეზური ბიოლოგიისა და სიცოცხლის ხელოვნურ ფორმებზე ორიენტირებული ახალი საგანმანათლებლო და სასწავლო პროგრამების გაჩენა, მეცნიერთა შემდეგი თაობის სპეციალიზებული უნარებით აღჭურვა.
• ჯანდაცვის სტრატეგიების გადასვლა პერსონალიზებულ მედიცინაში, ხელოვნური უჯრედებისა და სინთეზური ბიოლოგიის გამოყენებით მორგებული მკურნალობისა და დიაგნოსტიკისთვის.

კითხვები გასათვალისწინებელია

• თუ თქვენ მუშაობთ სინთეზურ ბიოლოგიაში, რა სხვა სარგებელი მოაქვს მინიმალურ უჯრედებს?
• როგორ შეუძლიათ ორგანიზაციებმა და ინსტიტუტებმა ერთად იმუშაონ სინთეტიკური ბიოლოგიის წინსვლისთვის?