Mākslīgās minimālās šūnas: pietiekami daudz dzīvības radīšana medicīniskiem pētījumiem

ATTĒLA KREDĪTS:
Attēls kredīts
iStock

Mākslīgās minimālās šūnas: pietiekami daudz dzīvības radīšana medicīniskiem pētījumiem

Mākslīgās minimālās šūnas: pietiekami daudz dzīvības radīšana medicīniskiem pētījumiem

Apakšvirsraksta teksts
Zinātnieki apvieno datormodelēšanu, ģenētisko rediģēšanu un sintētisko bioloģiju, lai radītu perfektus paraugus medicīnas pētījumiem.
    • Autors:
    • Autors nosaukums
      Quantumrun Foresight
    • Decembris 23, 2022

    Ieskata kopsavilkums

    Izpētot dzīves pamatprincipus, zinātnieki ir samazinājuši genomus, lai izveidotu minimālu šūnu skaitu, atklājot dzīvībai nepieciešamās pamatfunkcijas. Šie centieni ir noveduši pie negaidītiem atklājumiem un izaicinājumiem, piemēram, neregulāras šūnu formas, kas mudina turpināt pilnveidot un izprast ģenētiskās būtības. Šis pētījums paver ceļu sintētiskās bioloģijas sasniegumiem ar potenciālu pielietojumu zāļu izstrādē, slimību izpētē un personalizētajā medicīnā.

    Mākslīgais minimālo šūnu konteksts

    Mākslīgās minimālās šūnas vai genoma minimizēšana ir praktiska sintētiskās bioloģijas pieeja, lai izprastu, kā mijiedarbība starp būtiskiem gēniem izraisa svarīgus fizioloģiskus procesus. Genoma minimizēšanai tika izmantota projektēšanas-veidošanas-testēšanas-mācīšanās metode, kas balstījās uz modulāro genoma segmentu un informācijas no transposona mutaģenēzes (gēnu pārnešanas process no viena saimnieka uz otru) novērtēšanu un kombināciju, lai palīdzētu vadīt gēnu dzēšanu. Šī metode samazināja neobjektivitāti, atrodot būtiskus gēnus, un deva zinātniekiem rīkus, lai mainītu, atjaunotu un pētītu genomu un tā darbību.

    2010. gadā ASV bāzētā J. Kreiga Ventera institūta (JVCI) zinātnieki paziņoja, ka ir veiksmīgi likvidējuši baktērijas Mycoplasma capricolum DNS un aizstājuši to ar datorizētu DNS, kuras pamatā ir cita baktērija – Mycoplasma mycoides. Komanda savu jauno organismu nosauca par JCVI-syn1.0 jeb saīsināti “Sintētisks”. Šis organisms bija pirmā pašreplicējošā suga uz Zemes, kas sastāvēja no datoru vecākiem. Tas tika izveidots, lai palīdzētu zinātniekiem saprast, kā dzīve darbojās, sākot no šūnām uz augšu. 

    2016. gadā komanda izveidoja JCVI-syn3.0 — vienšūnas organismu ar mazāk gēnu nekā jebkurā citā zināmā vienkāršās dzīvības formā (tikai 473 gēni salīdzinājumā ar JVCI-syn1.0 901 gēnu). Tomēr organisms rīkojās neparedzamā veidā. Tā vietā, lai ražotu veselas šūnas, tas radīja dīvainas formas pašreplikācijas laikā. Zinātnieki saprata, ka no sākotnējās šūnas ir izņēmuši pārāk daudz gēnu, tostarp tos, kas ir atbildīgi par normālu šūnu dalīšanos. 

    Traucējoša ietekme

    Apņēmušies atrast veselīgu organismu ar pēc iespējas mazāku gēnu skaitu, Masačūsetsas Tehnoloģiju institūta (MIT) un Nacionālā standartu un tehnoloģiju institūta (NIST) biofiziķi 3.0. gadā remiksēja JCVI-syn2021 kodu. Viņi spēja izveidot jauns variants ar nosaukumu JCVI-syn3A. Lai gan šai jaunajai šūnai ir tikai 500 gēnu, pateicoties pētnieku darbam, tā uzvedas vairāk kā parasta šūna. 

    Zinātnieki strādā, lai vēl vairāk iznīcinātu šūnu. 2021. gadā jauns sintētisks organisms, kas pazīstams kā M. mycoides JCVI-syn3B, attīstījās 300 dienas, parādot, ka tas var mutēt dažādos apstākļos. Bioinženieri ir arī optimistiski noskaņoti, ka racionalizētāks organisms var palīdzēt zinātniekiem izpētīt dzīvi tās visvienkāršākajā līmenī un saprast, kā slimības attīstās.

    2022. gadā zinātnieku komanda no Ilinoisas Universitātes Urbana-Champaign, JVCI un Vācijā bāzētā Drēzdenes Tehniskās universitātes izveidoja JCVI-syn3A datormodeli. Šis modelis varētu precīzi paredzēt tā reālās dzīves analoga augšanu un molekulāro struktūru. 2022. gadā tas bija vispilnīgākais visu šūnu modelis, ko dators ir simulējis.

    Šīs simulācijas var sniegt vērtīgu informāciju. Šie dati ietver vielmaiņu, augšanu un ģenētiskās informācijas procesus šūnu ciklā. Analīze sniedz ieskatu par dzīvības principiem un to, kā šūnas patērē enerģiju, ieskaitot aminoskābju, nukleotīdu un jonu aktīvo transportu. Tā kā minimālā šūnu izpēte turpina pieaugt, zinātnieki var izveidot labākas sintētiskās bioloģijas sistēmas, ko var izmantot, lai izstrādātu zāles, pētītu slimības un atklātu ģenētiskās terapijas.

    Mākslīgo minimālo šūnu ietekme

    Plašākas mākslīgo minimālo šūnu attīstības sekas var ietvert: 

    • Plašāka globāla sadarbība, lai radītu nolietotas, bet funkcionējošas dzīves sistēmas pētniecībai.
    • Palielināta mašīnmācīšanās un datormodelēšanas izmantošana, lai kartētu bioloģiskās struktūras, piemēram, asins šūnas un olbaltumvielas.
    • Uzlabota sintētiskā bioloģija un mašīnu un organismu hibrīdi, tostarp korpuss uz mikroshēmas un dzīvi roboti. Tomēr daži zinātnieki par šiem eksperimentiem var saņemt ētikas sūdzības.
    • Daži biotehnoloģiju un biofarmācijas uzņēmumi iegulda lielus līdzekļus sintētiskās bioloģijas iniciatīvās, lai paātrinātu zāļu un terapijas attīstību.
    • Palielināti jauninājumi un atklājumi ģenētiskajā rediģēšanā, jo zinātnieki uzzina vairāk par gēniem un to, kā ar tiem var manipulēt.
    • Uzlaboti noteikumi par biotehnoloģisko izpēti, lai nodrošinātu ētisku praksi, aizsargājot gan zinātnisko integritāti, gan sabiedrības uzticēšanos.
    • Parādās jaunas izglītības un apmācības programmas, kas vērstas uz sintētisko bioloģiju un mākslīgajām dzīvības formām, nodrošinot nākamās paaudzes zinātniekus ar specializētām prasmēm.
    • Pārvirziet veselības aprūpes stratēģijas uz personalizētu medicīnu, izmantojot mākslīgās šūnas un sintētisko bioloģiju īpaši pielāgotai ārstēšanai un diagnostikai.

    Jautājumi, kas jāapsver

    • Ja jūs strādājat sintētiskās bioloģijas jomā, kādas ir citas minimālo šūnu priekšrocības?
    • Kā organizācijas un iestādes var sadarboties, lai veicinātu sintētisko bioloģiju?

    Ieskata atsauces

    Šim ieskatam tika izmantotas šādas populāras un institucionālas saites: