Вештачке минималне ћелије: Стварање довољно живота за медицинска истраживања

• Аутор:
• ime аутора

  Куантумрун Форесигхт
• Декабрь 23, 2022

Сажетак увида

Истражујући основе живота, научници су смањивали геноме како би створили минималне ћелије, откривајући основне функције неопходне за живот. Ови напори су довели до неочекиваних открића и изазова, као што су неправилни облици ћелија, што је довело до даљег усавршавања и разумевања генетских основа. Ово истраживање утире пут напретку у синтетичкој биологији, са потенцијалном применом у развоју лекова, проучавању болести и персонализованој медицини.

Контекст вештачких минималних ћелија

Вештачке минималне ћелије или минимизација генома је практичан приступ синтетичке биологије за разумевање како интеракције између есенцијалних гена доводе до виталних физиолошких процеса. Минимизација генома је користила методу дизајна-изгради-тест-учење која се ослањала на процену и комбинацију модуларних геномских сегмената и информација из транспозонске мутагенезе (процес преноса гена са једног домаћина на другог) да би се помогло у вођењу брисања гена. Овај метод је смањио пристрасност при проналажењу есенцијалних гена и дао научницима алате за промену, обнову и проучавање генома и онога што он ради.

2010. године, научници са америчког Ј. Цраиг Вентер Института (ЈВЦИ) објавили су да су успешно елиминисали ДНК бактерије Мицопласма цаприцолум и заменили је компјутерски генерисаним ДНК заснованим на другој бактерији, Мицопласма мицоидес. Тим је свој нови организам назвао ЈЦВИ-син1.0, или скраћено 'Синтетички'. Овај организам је био прва врста која се самореплицирала на Земљи која се састојала од компјутерских родитеља. Створен је да помогне научницима да схвате како живот функционише, почевши од ћелија навише. 

Године 2016. тим је створио ЈЦВИ-син3.0, једноћелијски организам са мање гена од било ког другог познатог облика једноставног живота (само 473 гена у поређењу са 1.0 геном ЈВЦИ-син901). Међутим, организам је деловао на непредвидиве начине. Уместо да производи здраве ћелије, створио је оне чудног облика током саморепликације. Научници су схватили да су уклонили превише гена из првобитне ћелије, укључујући и оне одговорне за нормалну ћелијску деобу. 

Ометајући утицај

Одлучни да пронађу здрав организам са што мање гена, биофизичари са Технолошког института у Масачусетсу (МИТ) и Националног института за стандарде и технологију (НИСТ) ремиксовали су ЈЦВИ-син3.0 код 2021. године. Успели су да направе нова варијанта под називом ЈЦВИ-син3А. Иако ова нова ћелија има само 500 гена, она се понаша више као обична ћелија захваљујући раду истраживача. 

Научници раде на томе да још више скину ћелију. Године 2021, нови синтетички организам познат као М. мицоидес ЈЦВИ-син3Б еволуирао је 300 дана, показујући да може да мутира под различитим околностима. Биоинжењери су такође оптимистични да модернији организам може помоћи научницима да проучавају живот на његовом најосновнијем нивоу и разумеју како болести напредују.

2022. године, тим научника са Универзитета Илиноис у Урбана-Шампејну, ЈВЦИ, и немачког Тецхнисцхе Университат Дресден креирао је компјутерски модел ЈЦВИ-син3А. Овај модел би могао тачно да предвиди раст и молекуларну структуру свог аналога у стварном животу. Од 2022. године, то је био најкомплетнији модел целе ћелије који је рачунар симулирао.

Ове симулације могу пружити вредне информације. Ови подаци укључују процесе метаболизма, раста и генетских информација током ћелијског циклуса. Анализа нуди увид у принципе живота и како ћелије троше енергију, укључујући активни транспорт аминокиселина, нуклеотида и јона. Како минимално истраживање ћелија наставља да расте, научници могу створити боље синтетичке биолошке системе који се могу користити за развој лекова, проучавање болести и откривање генетских терапија.

Импликације вештачких минималних ћелија

Шире импликације развоја вештачких минималних ћелија могу укључивати: 

• Више глобалне сарадње за стварање смањених, али функционалних животних система за истраживање.
• Повећана употреба машинског учења и компјутерског моделирања за мапирање биолошких структура, као што су крвне ћелије и протеини.
• Напредна синтетичка биологија и хибриди машина-организам, укључујући тело на чипу и живе роботе. Међутим, ови експерименти би могли добити етичке жалбе неких научника.
• Неке компаније за биотехнологију и биофармаке много улажу у иницијативе за синтетичку биологију како би убрзале развој лекова и терапије.
• Повећане иновације и открића у генетском уређивању док научници уче више о генима и како се њима може манипулисати.
• Унапријеђени прописи о биотехнолошком истраживању како би се осигурала етичка пракса, чувајући и научни интегритет и повјерење јавности.
• Појава нових образовних и програма обуке фокусираних на синтетичку биологију и вештачке облике живота, опремајући следећу генерацију научника специјализованим вештинама.
• Померање здравствених стратегија ка персонализованој медицини, коришћење вештачких ћелија и синтетичке биологије за третмане и дијагностику по мери.

Питања која треба размотрити

• Ако радите у области синтетичке биологије, које су друге предности минималних ћелија?
• Како организације и институције могу да раде заједно на унапређењу синтетичке биологије?