Umetne minimalne celice: ustvarjanje dovolj življenja za medicinske raziskave

• Avtor:
• ime avtorja

  Quantumrun Foresight
• December 23, 2022

Povzetek vpogleda

Z raziskovanjem bistvenih elementov življenja so znanstveniki zmanjševali genome, da bi ustvarili minimalne celice, s čimer so razkrili osnovne funkcije, potrebne za življenje. Ta prizadevanja so privedla do nepričakovanih odkritij in izzivov, kot so nepravilne oblike celic, kar je spodbudilo nadaljnje izpopolnjevanje in razumevanje genetskih osnov. Ta raziskava utira pot napredku v sintezni biologiji z možnimi aplikacijami pri razvoju zdravil, preučevanju bolezni in personalizirani medicini.

Kontekst umetnih minimalnih celic

Umetne minimalne celice ali minimizacija genoma je praktičen pristop sintetične biologije za razumevanje, kako interakcije med bistvenimi geni povzročajo vitalne fiziološke procese. Minimizacija genoma je uporabila metodo design-build-test-learn, ki je temeljila na vrednotenju in kombinaciji modularnih genomskih segmentov in informacij iz mutageneze transpozonov (postopek prenosa genov iz enega gostitelja v drugega), da bi pomagala pri vodenju izbrisov genov. Ta metoda je zmanjšala pristranskost pri iskanju bistvenih genov in znanstvenikom dala orodja za spreminjanje, ponovno gradnjo in preučevanje genoma in njegovega delovanja.

Leta 2010 so znanstveniki ameriškega inštituta J. Craig Venter (JVCI) objavili, da so uspešno odstranili DNK bakterije Mycoplasma capricolum in jo nadomestili z računalniško ustvarjeno DNK na osnovi druge bakterije Mycoplasma mycoides. Ekipa je svoj novi organizem poimenovala JCVI-syn1.0 ali na kratko "Sintetični". Ta organizem je bil prva samorazmnoževalna vrsta na Zemlji, sestavljena iz računalniških staršev. Ustvarjen je bil, da bi znanstvenikom pomagal razumeti, kako je življenje delovalo, začenši s celicami navzgor. 

Leta 2016 je ekipa ustvarila JCVI-syn3.0, enocelični organizem z manj geni kot katera koli druga znana oblika preprostega življenja (samo 473 genov v primerjavi z 1.0 genom JVCI-syn901). Vendar je organizem deloval nepredvidljivo. Namesto da bi proizvajal zdrave celice, je med samopodvajanjem ustvaril nenavadne oblike. Znanstveniki so ugotovili, da so iz prvotne celice odstranili preveč genov, vključno s tistimi, ki so odgovorni za normalno celično delitev. 

Moteč vpliv

Odločeni, da najdejo zdrav organizem z najmanj možnimi geni, so biofiziki z Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Nacionalnega inštituta za standarde in tehnologijo (NIST) leta 3.0 predelali kodo JCVI-syn2021. Ustvarili so lahko novo različico, imenovano JCVI-syn3A. Čeprav ima ta nova celica samo 500 genov, se zaradi dela raziskovalcev obnaša bolj kot navadna celica. 

Znanstveniki delajo na tem, da bi celico še bolj odstranili. Leta 2021 se je nov sintetični organizem, znan kot M. mycoides JCVI-syn3B, razvijal 300 dni in pokazal, da lahko mutira v različnih okoliščinah. Bioinženirji so tudi optimistični, da lahko bolj racionaliziran organizem pomaga znanstvenikom pri preučevanju življenja na najosnovnejši ravni in razumevanju napredovanja bolezni.

Leta 2022 je skupina znanstvenikov z Univerze Illinois v Urbana-Champaignu, JVCI in nemške Technische Universität Dresden ustvarila računalniški model JCVI-syn3A. Ta model bi lahko natančno napovedal rast in molekularno strukturo njegovega resničnega analoga. Od leta 2022 je bil to najpopolnejši model cele celice, ki ga je simuliral računalnik.

Te simulacije lahko zagotovijo dragocene informacije. Ti podatki vključujejo metabolizem, rast in genetske informacijske procese v celičnem ciklu. Analiza ponuja vpogled v principe življenja in v to, kako celice porabljajo energijo, vključno z aktivnim transportom aminokislin, nukleotidov in ionov. Ker minimalne celične raziskave še naprej rastejo, lahko znanstveniki ustvarijo boljše sintetične biološke sisteme, ki jih je mogoče uporabiti za razvoj zdravil, preučevanje bolezni in odkrivanje genetskih terapij.

Posledice umetnih minimalnih celic

Širše posledice razvoja umetnih minimalnih celic lahko vključujejo: 

• Več globalnega sodelovanja za ustvarjanje skrajšanih, a delujočih življenjskih sistemov za raziskave.
• Povečana uporaba strojnega učenja in računalniškega modeliranja za preslikavo bioloških struktur, kot so krvne celice in beljakovine.
• Napredna sintetična biologija in hibridi strojnih organizmov, vključno s telesi na čipu in živimi roboti. Vendar bi lahko nekateri znanstveniki ti poskusi prejeli etične pritožbe.
• Nekatera biotehnološka in biofarmacevtska podjetja veliko vlagajo v pobude sintetične biologije, da bi pospešila razvoj zdravil in terapij.
• Več inovacij in odkritij na področju genskega urejanja, saj znanstveniki izvedo več o genih in o tem, kako je mogoče z njimi manipulirati.
• Okrepljeni predpisi o biotehnoloških raziskavah za zagotovitev etičnih praks, varovanje znanstvene integritete in zaupanja javnosti.
• Pojav novih izobraževalnih programov in programov usposabljanja, osredotočenih na sintetično biologijo in umetne oblike življenja, ki opremljajo naslednjo generacijo znanstvenikov s posebnimi znanji.
• Premik v strategijah zdravstvenega varstva k personalizirani medicini z uporabo umetnih celic in sintetične biologije za zdravljenje in diagnostiko po meri.

Vprašanja, ki jih je treba upoštevati

• Če delate na področju sintetične biologije, kakšne so druge prednosti minimalnih celic?
• Kako lahko organizacije in institucije sodelujejo pri napredku sintezne biologije?