Kunstmatige minimale cellen: genoeg leven creëren voor medisch onderzoek

BEELDKREDIET:
Image credit
iStock

Kunstmatige minimale cellen: genoeg leven creëren voor medisch onderzoek

Kunstmatige minimale cellen: genoeg leven creëren voor medisch onderzoek

Onderkoptekst
Wetenschappers voegen computermodellering, genetische bewerking en synthetische biologie samen om de perfecte exemplaren voor medische studies te creëren.
    • Auteur:
    • auteursnaam
      Quantumrun-prognose
    • 23 december 2022

    Samenvatting inzicht

    Bij het onderzoeken van de essentie van het leven hebben wetenschappers genomen gereduceerd tot minimale cellen, waardoor de kernfuncties zijn onthuld die nodig zijn voor het leven. Deze inspanningen hebben geleid tot onverwachte ontdekkingen en uitdagingen, zoals onregelmatige celvormen, wat heeft geleid tot verdere verfijning en begrip van genetische essenties. Dit onderzoek maakt de weg vrij voor vooruitgang in de synthetische biologie, met mogelijke toepassingen in de ontwikkeling van geneesmiddelen, ziektestudies en gepersonaliseerde geneeskunde.

    Context van kunstmatige minimale cellen

    Kunstmatige minimale cellen of genoomminimalisatie is een praktische synthetische biologische benadering om te begrijpen hoe interacties tussen essentiële genen aanleiding geven tot vitale fysiologische processen. Genoomminimalisatie maakte gebruik van een ontwerp-bouw-test-leermethode die berustte op de evaluatie en combinatie van modulaire genomische segmenten en informatie van transposonmutagenese (het proces van het overbrengen van genen van de ene gastheer naar de andere) om gendeleties te begeleiden. Deze methode verminderde vooringenomenheid bij het vinden van essentiële genen en gaf wetenschappers de tools om het genoom en wat het doet te veranderen, opnieuw op te bouwen en te bestuderen.

    In 2010 kondigden wetenschappers van het in de VS gevestigde J. Craig Venter Institute (JVCI) aan dat ze met succes het DNA van de bacterie Mycoplasma capricolum hadden geëlimineerd en vervangen door computergegenereerd DNA op basis van een andere bacterie, Mycoplasma mycoides. Het team noemde hun nieuwe organisme JCVI-syn1.0, of kortweg 'Synthetisch'. Dit organisme was de eerste zelfreplicerende soort op aarde die bestond uit computerouders. Het is gemaakt om wetenschappers te helpen begrijpen hoe het leven werkte, beginnend bij cellen. 

    In 2016 creëerde het team JCVI-syn3.0, een eencellig organisme met minder genen dan enige andere bekende vorm van eenvoudig leven (slechts 473 genen vergeleken met de 1.0 genen van JVCI-syn901). Het organisme handelde echter op onvoorspelbare manieren. In plaats van gezonde cellen te produceren, creëerde het tijdens zelfreplicatie vreemd gevormde cellen. Wetenschappers realiseerden zich dat ze te veel genen uit de oorspronkelijke cel hadden verwijderd, inclusief de genen die verantwoordelijk zijn voor de normale celdeling. 

    Disruptieve impact

    Vastbesloten om een ​​gezond organisme te vinden met zo min mogelijk genen, hebben biofysici van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) en het National Institute of Standards and Technology (NIST) in 3.0 de JCVI-syn2021-code opnieuw gemengd. Ze waren in staat om een nieuwe variant genaamd JCVI-syn3A. Hoewel deze nieuwe cel maar 500 genen heeft, gedraagt ​​hij zich dankzij het werk van de onderzoekers meer als een gewone cel. 

    Wetenschappers werken eraan om de cel nog verder te strippen. In 2021 evolueerde een nieuw synthetisch organisme, bekend als M. mycoides JCVI-syn3B, gedurende 300 dagen, wat aantoont dat het onder verschillende omstandigheden kan muteren. Bio-ingenieurs zijn ook optimistisch dat een meer gestroomlijnd organisme wetenschappers kan helpen het leven op het meest basale niveau te bestuderen en te begrijpen hoe ziekten zich ontwikkelen.

    In 2022 creëerde een team van wetenschappers van de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign, JVCI en de in Duitsland gevestigde Technische Universität Dresden een computermodel van JCVI-syn3A. Dit model kon de groei en moleculaire structuur van zijn real-life analoog nauwkeurig voorspellen. Vanaf 2022 was het het meest complete model met hele cellen dat een computer heeft gesimuleerd.

    Deze simulaties kunnen waardevolle informatie opleveren. Deze gegevens omvatten metabolisme, groei en genetische informatieprocessen gedurende een celcyclus. De analyse biedt inzicht in de principes van het leven en hoe cellen energie verbruiken, inclusief het actieve transport van aminozuren, nucleotiden en ionen. Naarmate minimaal celonderzoek blijft toenemen, kunnen wetenschappers betere systemen voor synthetische biologie creëren die kunnen worden gebruikt om medicijnen te ontwikkelen, ziekten te bestuderen en genetische therapieën te ontdekken.

    Implicaties van kunstmatige minimale cellen

    Bredere implicaties van de ontwikkeling van kunstmatige minimale cellen kunnen zijn: 

    • Meer wereldwijde samenwerkingen om uitgeklede maar functionerende levenssystemen voor onderzoek te creëren.
    • Meer gebruik van machine learning en computermodellering om biologische structuren, zoals bloedcellen en eiwitten, in kaart te brengen.
    • Geavanceerde synthetische biologie en machine-organisme hybriden, waaronder body-on-a-chip en levende robots. Deze experimenten kunnen echter ethische klachten krijgen van sommige wetenschappers.
    • Sommige biotech- en biofarmaceutische bedrijven investeren zwaar in initiatieven op het gebied van synthetische biologie om de ontwikkelingen op het gebied van geneesmiddelen en therapieën te versnellen.
    • Meer innovatie en ontdekkingen in genetische bewerking naarmate wetenschappers meer leren over genen en hoe ze kunnen worden gemanipuleerd.
    • Verbeterde regelgeving voor biotechnologisch onderzoek om ethische praktijken te garanderen, waarbij zowel de wetenschappelijke integriteit als het vertrouwen van het publiek worden gewaarborgd.
    • De opkomst van nieuwe onderwijs- en trainingsprogramma’s gericht op synthetische biologie en kunstmatige levensvormen, waardoor de volgende generatie wetenschappers wordt uitgerust met gespecialiseerde vaardigheden.
    • Verschuiving in de gezondheidszorgstrategieën naar gepersonaliseerde geneeskunde, waarbij gebruik wordt gemaakt van kunstmatige cellen en synthetische biologie voor op maat gemaakte behandelingen en diagnostiek.

    Vragen om te overwegen

    • Als je op het gebied van synthetische biologie werkt, wat zijn dan de andere voordelen van minimale cellen?
    • Hoe kunnen organisaties en instellingen samenwerken om synthetische biologie vooruit te helpen?

    Insight-referenties

    Voor dit inzicht werd verwezen naar de volgende populaire en institutionele links: