Minimálne umelé bunky: Vytvorenie dostatočného množstva života pre lekársky výskum

• Autor:
• meno autora

  Predvídavosť Quantumrun
• Decembra 23, 2022

Súhrn prehľadu

Vedci skúmali základy života a redukovali genómy, aby vytvorili minimálne bunky, čím odhalili základné funkcie potrebné pre život. Toto úsilie viedlo k neočakávaným objavom a výzvam, ako sú nepravidelné tvary buniek, čo podnietilo ďalšie zdokonaľovanie a pochopenie genetických základov. Tento výskum pripravuje pôdu pre pokrok v syntetickej biológii s potenciálnymi aplikáciami vo vývoji liekov, štúdiu chorôb a personalizovanej medicíne.

Kontext umelých minimálnych buniek

Umelé minimálne bunky alebo minimalizácia genómu je praktický syntetický biologický prístup na pochopenie toho, ako interakcie medzi základnými génmi vedú k životne dôležitým fyziologickým procesom. Pri minimalizácii genómu sa použila metóda dizajn-stavba-test-učenie, ktorá sa spoliehala na vyhodnotenie a kombináciu modulárnych genómových segmentov a informácií z transpozónovej mutagenézy (proces prenosu génov z jedného hostiteľa na druhého), aby pomohla usmerniť génové delécie. Táto metóda znížila zaujatosť pri hľadaní základných génov a poskytla vedcom nástroje na zmenu, prestavbu a štúdium genómu a toho, čo robí.

V roku 2010 vedci z Inštitútu J. Craiga Ventera (JVCI) so sídlom v USA oznámili, že úspešne zlikvidovali DNA baktérie Mycoplasma capricolum a nahradili ju počítačom vygenerovanou DNA založenou na inej baktérii Mycoplasma mycoides. Tím nazval svoj nový organizmus JCVI-syn1.0 alebo v skratke „Syntetický“. Tento organizmus bol prvým samoreprodukujúcim sa druhom na Zemi, ktorý pozostával z počítačových rodičov. Bol vytvorený, aby pomohol vedcom pochopiť, ako funguje život, počnúc bunkami. 

V roku 2016 tím vytvoril JCVI-syn3.0, jednobunkový organizmus s menším počtom génov ako ktorákoľvek iná známa forma jednoduchého života (iba 473 génov v porovnaní s 1.0 génmi JVCI-syn901). Organizmus však konal nepredvídateľným spôsobom. Namiesto toho, aby produkoval zdravé bunky, vytvoril počas sebareplikácie tie zvláštne tvarované. Vedci si uvedomili, že z pôvodnej bunky odstránili príliš veľa génov, vrátane tých, ktoré sú zodpovedné za normálne bunkové delenie. 

Rušivý vplyv

Biofyzici z Massachusetts Institute of Technology (MIT) a National Institute of Standards and Technology (NIST) odhodlaní nájsť zdravý organizmus s čo najmenším počtom génov zremixovali v roku 3.0 kód JCVI-syn2021. Podarilo sa im vytvoriť nový variant s názvom JCVI-syn3A. Aj keď má táto nová bunka len 500 génov, vďaka práci výskumníkov sa správa skôr ako bežná bunka. 

Vedci pracujú na odstránení bunky ešte viac. V roku 2021 sa nový syntetický organizmus známy ako M. mycoides JCVI-syn3B vyvíjal 300 dní, čo dokazuje, že môže mutovať za rôznych okolností. Bioinžinieri sú tiež optimistickí, že efektívnejší organizmus môže vedcom pomôcť študovať život na jeho najzákladnejšej úrovni a pochopiť, ako choroby postupujú.

V roku 2022 tím vedcov z University of Illinois v Urbana-Champaign, JVCI a nemeckej Technische Universität Dresden vytvoril počítačový model JCVI-syn3A. Tento model by mohol presne predpovedať rast a molekulárnu štruktúru svojho analógu v reálnom živote. Od roku 2022 to bol najkompletnejší celobunkový model, ktorý počítač simuloval.

Tieto simulácie môžu poskytnúť cenné informácie. Tieto údaje zahŕňajú procesy metabolizmu, rastu a genetických informácií počas bunkového cyklu. Analýza ponúka pohľad na princípy života a ako bunky spotrebúvajú energiu, vrátane aktívneho transportu aminokyselín, nukleotidov a iónov. Keďže minimálny výskum buniek neustále rastie, vedci môžu vytvárať lepšie syntetické biologické systémy, ktoré možno použiť na vývoj liekov, štúdium chorôb a objavovanie genetických terapií.

Dôsledky umelých minimálnych buniek

Širšie dôsledky vývoja umelých minimálnych buniek môžu zahŕňať: 

• Viac globálnej spolupráce na vytvorenie orezaných, ale fungujúcich životných systémov pre výskum.
• Zvýšené využívanie strojového učenia a počítačového modelovania na mapovanie biologických štruktúr, ako sú krvinky a proteíny.
• Pokročilá syntetická biológia a hybridy stroj-organizmus vrátane robotov typu telo na čipe a živých robotov. Tieto experimenty však môžu dostať etické sťažnosti od niektorých vedcov.
• Niektoré biotechnologické a biofarmaceutické firmy výrazne investujú do iniciatív syntetickej biológie s cieľom urýchliť vývoj liekov a terapie.
• Zvýšené inovácie a objavy v genetickej úprave, keď sa vedci dozvedia viac o génoch a o tom, ako s nimi možno manipulovať.
• Posilnené predpisy o biotechnologickom výskume s cieľom zabezpečiť etické postupy, chrániť vedeckú integritu a dôveru verejnosti.
• Vznik nových vzdelávacích a tréningových programov zameraných na syntetickú biológiu a umelé formy života, ktoré vybavia ďalšiu generáciu vedcov špecializovanými zručnosťami.
• Posun v stratégiách zdravotnej starostlivosti smerom k personalizovanej medicíne, využívajúcej umelé bunky a syntetickú biológiu na liečbu a diagnostiku na mieru.

Otázky na zváženie

• Ak pracujete v oblasti syntetickej biológie, aké sú ďalšie výhody minimálnych buniek?
• Ako môžu organizácie a inštitúcie spolupracovať na rozvoji syntetickej biológie?