Искусственные минимальные клетки: создание достаточного количества жизни для медицинских исследований

• Автор:
• Имя автора

  Квантумран Форсайт
• 23 декабря 2022

Сводка статистики

Исследуя основы жизни, ученые сокращают геномы, чтобы создать минимальные клетки, раскрывая основные функции, необходимые для жизни. Эти усилия привели к неожиданным открытиям и проблемам, таким как неправильная форма клеток, что побуждает к дальнейшему совершенствованию и пониманию основ генетики. Это исследование открывает путь к достижениям в области синтетической биологии с потенциальным применением в разработке лекарств, изучении болезней и персонализированной медицине.

Контекст искусственных минимальных ячеек

Искусственные минимальные клетки или минимизация генома — это практический подход синтетической биологии к пониманию того, как взаимодействия между важными генами вызывают жизненно важные физиологические процессы. При минимизации генома использовался метод «дизайн-сборка-тестирование-обучение», основанный на оценке и сочетании модульных геномных сегментов и информации, полученной в результате мутагенеза транспозонов (процесс переноса генов от одного хозяина к другому), чтобы помочь управлять делециями генов. Этот метод уменьшил предвзятость при поиске важных генов и дал ученым инструменты для изменения, перестройки и изучения генома и того, что он делает.

В 2010 году ученые из американского Института Дж. Крейга Вентера (JVCI) объявили, что они успешно удалили ДНК бактерии Mycoplasma capricolum и заменили ее сгенерированной компьютером ДНК на основе другой бактерии, Mycoplasma mycoides. Команда назвала свой новый организм JCVI-syn1.0, или сокращенно «Синтетический». Этот организм был первым самовоспроизводящимся видом на Земле, который состоял из родителей-компьютеров. Он был создан, чтобы помочь ученым понять, как устроена жизнь, начиная с клеток. 

В 2016 году команда создала JCVI-syn3.0, одноклеточный организм с меньшим количеством генов, чем у любой другой известной формы простой жизни (всего 473 гена по сравнению с 1.0 геном JVCI-syn901). Однако организм действовал непредсказуемым образом. Вместо того, чтобы производить здоровые клетки, он создавал клетки странной формы во время самовоспроизведения. Ученые поняли, что они удалили слишком много генов из исходной клетки, включая те, которые отвечают за нормальное деление клеток. 

Разрушительное воздействие

Биофизики из Массачусетского технологического института (MIT) и Национального института стандартов и технологий (NIST), преисполненные решимости найти здоровый организм с наименьшим количеством генов, в 3.0 году изменили код JCVI-syn2021. новый вариант под названием JCVI-syn3A. Несмотря на то, что эта новая клетка имеет всего 500 генов, она ведет себя как обычная клетка благодаря работе исследователей. 

Ученые работают над тем, чтобы еще больше разобрать клетку. В 2021 году новый синтетический организм, известный как M. mycoides JCVI-syn3B, эволюционировал в течение 300 дней, продемонстрировав, что он может мутировать при различных обстоятельствах. Биоинженеры также с оптимизмом смотрят на то, что более обтекаемый организм может помочь ученым изучить жизнь на ее самом базовом уровне и понять, как развиваются болезни.

В 2022 году группа ученых из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейне, JVCI и базирующегося в Германии Технического университета Дрездена создала компьютерную модель JCVI-syn3A. Эта модель могла точно предсказать рост и молекулярную структуру своего реального аналога. По состоянию на 2022 год это была самая полная модель цельной клетки, которую смоделировал компьютер.

Эти симуляции могут предоставить ценную информацию. Эти данные включают метаболизм, рост и генетические информационные процессы в течение клеточного цикла. Анализ дает представление о принципах жизни и о том, как клетки потребляют энергию, включая активный транспорт аминокислот, нуклеотидов и ионов. Поскольку минимальные исследования клеток продолжают расти, ученые могут создавать более совершенные системы синтетической биологии, которые можно использовать для разработки лекарств, изучения болезней и открытия методов генетической терапии.

Последствия искусственных минимальных клеток

Более широкие последствия разработки искусственных минимальных клеток могут включать: 

• Более глобальное сотрудничество для создания упрощенных, но функционирующих систем жизни для исследований.
• Более широкое использование машинного обучения и компьютерного моделирования для картирования биологических структур, таких как клетки крови и белки.
• Передовая синтетическая биология и гибриды машин и организмов, включая тело на чипе и живых роботов. Однако эти эксперименты могут вызвать этические жалобы со стороны некоторых ученых.
• Некоторые биотехнологические и биофармацевтические фирмы вкладывают значительные средства в инициативы в области синтетической биологии, чтобы ускорить разработку лекарств и методов лечения.
• Рост инноваций и открытий в генетическом редактировании по мере того, как ученые узнают больше о генах и о том, как ими можно манипулировать.
• Усовершенствованные правила биотехнологических исследований для обеспечения этической практики, защиты как научной честности, так и общественного доверия.
• Появление новых образовательных и учебных программ, ориентированных на синтетическую биологию и искусственные формы жизни, вооружающих следующее поколение ученых специальными навыками.
• Сдвиг в стратегиях здравоохранения в сторону персонализированной медицины, использования искусственных клеток и синтетической биологии для индивидуального лечения и диагностики.

Вопросы для рассмотрения

• Если вы работаете в области синтетической биологии, каковы другие преимущества минимальных клеток?
• Как организации и учреждения могут работать вместе для развития синтетической биологии?