Sztuczne komórki minimalne: tworzenie wystarczającej ilości życia do badań medycznych

KREDYT WZROKU:
Image credit
iStock

Sztuczne komórki minimalne: tworzenie wystarczającej ilości życia do badań medycznych

Sztuczne komórki minimalne: tworzenie wystarczającej ilości życia do badań medycznych

Tekst podtytułu
Naukowcy łączą modelowanie komputerowe, edycję genetyczną i biologię syntetyczną, aby stworzyć doskonałe okazy do badań medycznych.
    • Autor:
    • nazwisko autora
      Foresight Quantumrun
    • 23 grudnia 2022 r.

    Podsumowanie spostrzeżeń

    Badając podstawy życia, naukowcy redukują genomy, aby stworzyć minimalną liczbę komórek, odkrywając podstawowe funkcje niezbędne do życia. Wysiłki te doprowadziły do ​​nieoczekiwanych odkryć i wyzwań, takich jak nieregularne kształty komórek, co skłoniło do dalszego udoskonalenia i zrozumienia podstaw genetycznych. Badania te torują drogę postępowi w biologii syntetycznej i mogą znaleźć potencjalne zastosowania w opracowywaniu leków, badaniu chorób i medycynie spersonalizowanej.

    Kontekst sztucznych komórek minimalnych

    Sztuczne komórki minimalne lub minimalizacja genomu to praktyczne podejście biologii syntetycznej do zrozumienia, w jaki sposób interakcje między niezbędnymi genami powodują powstanie ważnych procesów fizjologicznych. W minimalizacji genomu wykorzystano metodę projektowania, budowania, testowania i uczenia się, która opierała się na ocenie i połączeniu modułowych segmentów genomu oraz informacji z mutagenezy transpozonowej (proces przenoszenia genów z jednego gospodarza do drugiego), aby pomóc w kierowaniu delecjami genów. Ta metoda zmniejszyła błąd przy znajdowaniu niezbędnych genów i dała naukowcom narzędzia do zmiany, odbudowy i badania genomu oraz tego, co on robi.

    W 2010 roku naukowcy z J. Craig Venter Institute (JVCI) z siedzibą w USA ogłosili, że udało im się wyeliminować DNA bakterii Mycoplasma capricolum i zastąpić je wygenerowanym komputerowo DNA opartym na innej bakterii, Mycoplasma mycoides. Zespół nazwał swój nowy organizm JCVI-syn1.0, w skrócie „Syntetyczny”. Organizm ten był pierwszym samoreplikującym się gatunkiem na Ziemi, który składał się z komputerowych rodziców. Został stworzony, aby pomóc naukowcom zrozumieć, jak działa życie, zaczynając od komórek. 

    W 2016 roku zespół stworzył JCVI-syn3.0, jednokomórkowy organizm z mniejszą liczbą genów niż jakakolwiek inna znana forma prostego życia (tylko 473 geny w porównaniu z 1.0 genami JVCI-syn901). Jednak organizm działał w nieprzewidywalny sposób. Zamiast produkować zdrowe komórki, tworzył dziwnie ukształtowane komórki podczas samoreplikacji. Naukowcy zdali sobie sprawę, że usunęli zbyt wiele genów z pierwotnej komórki, w tym te odpowiedzialne za normalny podział komórki. 

    Zakłócający wpływ

    Zdeterminowani, aby znaleźć zdrowy organizm z jak najmniejszą liczbą genów, biofizycy z Massachusetts Institute of Technology (MIT) i National Institute of Standards and Technology (NIST) zremiksowali kod JCVI-syn3.0 w 2021 roku. Udało im się stworzyć nowy wariant o nazwie JCVI-syn3A. Chociaż ta nowa komórka ma tylko 500 genów, dzięki pracy naukowców zachowuje się bardziej jak zwykła komórka. 

    Naukowcy pracują nad jeszcze większym rozebraniem komórki. W 2021 roku nowy syntetyczny organizm znany jako M. mycoides JCVI-syn3B ewoluował przez 300 dni, wykazując, że może mutować w różnych okolicznościach. Bioinżynierowie są również optymistami, że bardziej opływowy organizm może pomóc naukowcom badać życie na najbardziej podstawowym poziomie i zrozumieć, w jaki sposób postępują choroby.

    W 2022 roku zespół naukowców z University of Illinois at Urbana-Champaign, JVCI i niemieckiego Technische Universität Dresden stworzył komputerowy model JCVI-syn3A. Ten model może dokładnie przewidzieć wzrost i strukturę molekularną swojego rzeczywistego odpowiednika. Od 2022 roku był to najbardziej kompletny model całej komórki, jaki symulował komputer.

    Symulacje te mogą dostarczyć cennych informacji. Dane te obejmują metabolizm, wzrost i procesy informacji genetycznej w cyklu komórkowym. Analiza oferuje wgląd w zasady życia i sposób, w jaki komórki zużywają energię, w tym aktywny transport aminokwasów, nukleotydów i jonów. Ponieważ minimalne badania nad komórkami wciąż rosną, naukowcy mogą tworzyć lepsze systemy biologii syntetycznej, które można wykorzystać do opracowywania leków, badania chorób i odkrywania terapii genetycznych.

    Implikacje sztucznych komórek minimalnych

    Szersze implikacje rozwoju sztucznych komórek minimalnych mogą obejmować: 

    • Więcej globalnej współpracy w celu stworzenia okrojonych, ale funkcjonujących systemów życia na potrzeby badań.
    • Zwiększone wykorzystanie uczenia maszynowego i modelowania komputerowego do mapowania struktur biologicznych, takich jak komórki krwi i białka.
    • Zaawansowana biologia syntetyczna i hybrydy organizmów maszynowych, w tym ciała na chipie i żywe roboty. Jednak niektórzy naukowcy mogą otrzymać skargi etyczne na te eksperymenty.
    • Niektóre firmy biotechnologiczne i biofarmaceutyczne intensywnie inwestują w inicjatywy związane z biologią syntetyczną, aby przyspieszyć rozwój leków i terapii.
    • Zwiększona innowacyjność i odkrycia w zakresie edycji genetycznej, ponieważ naukowcy dowiadują się więcej o genach i sposobach manipulowania nimi.
    • Ulepszone przepisy dotyczące badań biotechnologicznych w celu zapewnienia praktyk etycznych, chroniąc zarówno rzetelność naukową, jak i zaufanie publiczne.
    • Pojawienie się nowych programów edukacyjno-szkoleniowych skupiających się na biologii syntetycznej i sztucznych formach życia, wyposażających kolejne pokolenie naukowców w specjalistyczne umiejętności.
    • Zmiana strategii opieki zdrowotnej w kierunku medycyny spersonalizowanej, wykorzystującej sztuczne komórki i biologię syntetyczną do leczenia i diagnostyki „szytej na miarę”.

    Pytania do rozważenia

    • Jeśli pracujesz w dziedzinie biologii syntetycznej, jakie są inne zalety minimalnych komórek?
    • W jaki sposób organizacje i instytucje mogą współpracować, aby rozwijać biologię syntetyczną?

    Referencje informacyjne

    W celu uzyskania tego wglądu odniesiono się do następujących popularnych i instytucjonalnych powiązań: