Dirbtinės minimalios ląstelės: sukurti pakankamai gyvybės medicininiams tyrimams

VAIZDO KREDITAS:
Paveikslėlio kredito
iStock

Dirbtinės minimalios ląstelės: sukurti pakankamai gyvybės medicininiams tyrimams

Dirbtinės minimalios ląstelės: sukurti pakankamai gyvybės medicininiams tyrimams

Paantraštės tekstas
Mokslininkai sujungia kompiuterinį modeliavimą, genetinį redagavimą ir sintetinę biologiją, kad sukurtų tobulus egzempliorius medicinos studijoms.
    • Autorius:
    • autoriaus vardas
      Quantumrun Foresight
    • Gruodis 23, 2022

    Įžvalgos santrauka

    Tyrinėdami esminius gyvenimo dalykus, mokslininkai sumažino genomus, kad sukurtų kuo mažiau ląstelių, atskleistų pagrindines gyvybei reikalingas funkcijas. Šios pastangos atvedė prie netikėtų atradimų ir iššūkių, tokių kaip netaisyklingos ląstelių formos, paskatinusios toliau tobulinti ir suprasti esminius genetinius dalykus. Šis tyrimas atveria kelią sintetinės biologijos pažangai, galimoms pritaikyti vaistų kūrimui, ligų tyrimui ir individualizuotai medicinai.

    Dirbtinis minimalių ląstelių kontekstas

    Dirbtinis minimalus ląstelių arba genomo sumažinimas yra praktinis sintetinės biologijos metodas, skirtas suprasti, kaip esminių genų sąveika sukelia gyvybiškai svarbius fiziologinius procesus. Genomo mažinimui buvo naudojamas projektavimo, kūrimo, bandymo ir mokymosi metodas, kuris rėmėsi modulinių genomo segmentų įvertinimu ir deriniu bei informacija iš transpozono mutagenezės (genų perkėlimo iš vieno šeimininko į kitą procesas), siekiant padėti nukreipti genų delecijas. Šis metodas sumažino šališkumą ieškant esminių genų ir suteikė mokslininkams įrankius pakeisti, atstatyti ir ištirti genomą ir jo veiklą.

    2010 metais JAV įsikūrusio J. Craigo Venterio instituto (JVCI) mokslininkai paskelbė, kad sėkmingai pašalino bakterijų Mycoplasma capricolum DNR ir pakeitė ją kompiuterine DNR, paremta kita bakterija – Mycoplasma mycoides. Komanda savo naująjį organizmą pavadino JCVI-syn1.0 arba sutrumpintai „Sintetinis“. Šis organizmas buvo pirmoji savaime besidauginanti rūšis Žemėje, kurią sudarė kompiuterių tėvai. Jis buvo sukurtas siekiant padėti mokslininkams suprasti, kaip veikė gyvybė, pradedant nuo ląstelių. 

    2016 m. komanda sukūrė JCVI-syn3.0 – vienaląstį organizmą, turintį mažiau genų nei bet kuri kita žinoma paprastos gyvybės forma (tik 473 genai, palyginti su JVCI-syn1.0 901 genu). Tačiau organizmas veikė nenuspėjamai. Užuot gaminęs sveikas ląsteles, savaiminio replikacijos metu jis sukūrė keistos formos. Mokslininkai suprato, kad iš pirminės ląstelės pašalino per daug genų, įskaitant tuos, kurie atsakingi už normalų ląstelių dalijimąsi. 

    Trikdantis poveikis

    Masačusetso technologijos instituto (MIT) ir Nacionalinio standartų ir technologijų instituto (NIST) biofizikai, pasiryžę rasti sveiką organizmą su kuo mažiau genų, 3.0 m. permaišė JCVI-syn2021 kodą. Jiems pavyko sukurti naujas variantas, vadinamas JCVI-syn3A. Nors ši nauja ląstelė turi tik 500 genų, mokslininkų darbo dėka ji elgiasi kaip įprasta ląstelė. 

    Mokslininkai stengiasi dar labiau išardyti ląstelę. 2021 m. naujas sintetinis organizmas, žinomas kaip M. mycoides JCVI-syn3B, išsivystė 300 dienų, parodydamas, kad jis gali mutuoti įvairiomis aplinkybėmis. Bioinžinieriai taip pat optimistiškai nusiteikę, kad labiau supaprastintas organizmas gali padėti mokslininkams tyrinėti gyvenimą pačiame pagrindiniame lygmenyje ir suprasti, kaip progresuoja ligos.

    2022 m. mokslininkų komanda iš Ilinojaus universiteto Urbana-Champaign, JVCI ir Vokietijoje įsikūrusio Technische Universität Dresden sukūrė kompiuterinį JCVI-syn3A modelį. Šis modelis galėtų tiksliai numatyti jo realaus analogo augimą ir molekulinę struktūrą. 2022 m. tai buvo pats išsamiausias visos ląstelės modelis, kurį imitavo kompiuteris.

    Šie modeliavimai gali suteikti vertingos informacijos. Šie duomenys apima metabolizmą, augimą ir genetinės informacijos procesus per ląstelės ciklą. Analizė leidžia suprasti gyvybės principus ir tai, kaip ląstelės sunaudoja energiją, įskaitant aktyvų aminorūgščių, nukleotidų ir jonų transportavimą. Kadangi ląstelių tyrimų skaičius ir toliau auga, mokslininkai gali sukurti geresnes sintetinės biologijos sistemas, kurios gali būti naudojamos vaistams kurti, ligoms tirti ir genetinėms terapijoms atrasti.

    Dirbtinių minimalių ląstelių pasekmės

    Platesnės dirbtinių minimalių ląstelių vystymosi pasekmės gali būti: 

    • Daugiau pasaulinio bendradarbiavimo kuriant apleistas, bet veikiančias gyvenimo sistemas tyrimams.
    • Padidėjęs mašinų mokymasis ir kompiuterinio modeliavimo naudojimas siekiant nustatyti biologines struktūras, tokias kaip kraujo ląstelės ir baltymai.
    • Pažangi sintetinė biologija ir mašinos bei organizmo hibridai, įskaitant „body-on-a-chip“ ir gyvus robotus. Tačiau šie eksperimentai gali sulaukti kai kurių mokslininkų skundų dėl etinių nusiskundimų.
    • Kai kurios biotechnologijų ir biofarmacijos įmonės daug investuoja į sintetinės biologijos iniciatyvas, kad paspartintų vaistų ir terapijos plėtrą.
    • Didesnės naujovės ir atradimai genetinio redagavimo srityje, nes mokslininkai daugiau sužino apie genus ir kaip jais galima manipuliuoti.
    • Sustiprinti biotechnologinių tyrimų reglamentai, siekiant užtikrinti etišką praktiką, išsaugant mokslinį vientisumą ir visuomenės pasitikėjimą.
    • Atsirado naujos švietimo ir mokymo programos, orientuotos į sintetinę biologiją ir dirbtines gyvybės formas, suteikiančias naujos kartos mokslininkams specializuotų įgūdžių.
    • Sveikatos priežiūros strategijų perėjimas prie individualizuotos medicinos, naudojant dirbtines ląsteles ir sintetinę biologiją pritaikytam gydymui ir diagnostikai.

    Klausimai, kuriuos reikia apsvarstyti

    • Jei dirbate sintetinės biologijos srityje, kokie yra kiti minimalių ląstelių privalumai?
    • Kaip organizacijos ir institucijos gali dirbti kartu siekdamos pažangos sintetinės biologijos srityje?

    Įžvalgos nuorodos

    Šioje įžvalgoje buvo nurodytos šios populiarios ir institucinės nuorodos: