มินิมอลเซลล์ประดิษฐ์: สร้างชีวิตที่เพียงพอสำหรับการวิจัยทางการแพทย์

เครดิตภาพ:
เครดิตภาพ
iStock

มินิมอลเซลล์ประดิษฐ์: สร้างชีวิตที่เพียงพอสำหรับการวิจัยทางการแพทย์

มินิมอลเซลล์ประดิษฐ์: สร้างชีวิตที่เพียงพอสำหรับการวิจัยทางการแพทย์

ข้อความหัวข้อย่อย
นักวิทยาศาสตร์ผสมผสานการสร้างแบบจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ การตัดต่อพันธุกรรม และชีววิทยาสังเคราะห์เพื่อสร้างตัวอย่างที่สมบูรณ์แบบสำหรับการศึกษาทางการแพทย์
    • เขียนโดย:
    • ชื่อผู้เขียน
      มองการณ์ไกลควอนตัมรัน
    • December 23, 2022

    สรุปข้อมูลเชิงลึก

    การสำรวจสิ่งสำคัญของชีวิต นักวิทยาศาสตร์ได้ลดจีโนมเพื่อสร้างเซลล์ขนาดเล็กที่สุด ซึ่งเผยให้เห็นหน้าที่หลักที่จำเป็นสำหรับชีวิต ความพยายามเหล่านี้นำไปสู่การค้นพบและความท้าทายที่ไม่คาดคิด เช่น รูปร่างของเซลล์ที่ผิดปกติ กระตุ้นให้เกิดการปรับแต่งและความเข้าใจเพิ่มเติมเกี่ยวกับสิ่งจำเป็นทางพันธุกรรม การวิจัยครั้งนี้ปูทางไปสู่ความก้าวหน้าทางชีววิทยาสังเคราะห์ โดยมีศักยภาพในการนำไปประยุกต์ใช้ในการพัฒนายา การศึกษาโรค และการแพทย์เฉพาะบุคคล

    บริบทเซลล์ขั้นต่ำประดิษฐ์

    เซลล์ขั้นต่ำประดิษฐ์หรือการย่อขนาดจีโนมเป็นวิธีการทางชีววิทยาสังเคราะห์เชิงปฏิบัติสำหรับการทำความเข้าใจว่าปฏิสัมพันธ์ระหว่างยีนที่จำเป็นก่อให้เกิดกระบวนการทางสรีรวิทยาที่สำคัญอย่างไร การย่อขนาดจีโนมใช้วิธีการออกแบบ-สร้าง-ทดสอบ-เรียนรู้ที่อาศัยการประเมินและการรวมกันของส่วนจีโนมแบบโมดูลาร์และข้อมูลจากการกลายพันธุ์ของทรานสโพซอน (กระบวนการถ่ายโอนยีนจากโฮสต์หนึ่งไปยังอีกโฮสต์หนึ่ง) เพื่อช่วยแนะนำการลบยีน วิธีนี้ช่วยลดอคติเมื่อค้นหายีนที่จำเป็นและทำให้นักวิทยาศาสตร์มีเครื่องมือในการเปลี่ยนแปลง สร้างใหม่ และศึกษาจีโนมและสิ่งที่มันทำ

    ในปี 2010 นักวิทยาศาสตร์จากสถาบัน J. Craig Venter Institute (JVCI) ในสหรัฐอเมริกาประกาศว่าพวกเขาประสบความสำเร็จในการกำจัด DNA ของแบคทีเรีย Mycoplasma capricolum และแทนที่ด้วย DNA ที่สร้างด้วยคอมพิวเตอร์จากแบคทีเรียชนิดอื่น Mycoplasma mycoides ทีมตั้งชื่อสิ่งมีชีวิตใหม่ว่า JCVI-syn1.0 หรือเรียกสั้นๆ ว่า 'Synthetic' สิ่งมีชีวิตนี้เป็นสิ่งมีชีวิตที่จำลองตัวเองได้ชนิดแรกบนโลกที่ประกอบด้วยพ่อแม่ที่เป็นคอมพิวเตอร์ สร้างขึ้นเพื่อช่วยให้นักวิทยาศาสตร์เข้าใจวิธีการทำงานของชีวิตตั้งแต่เซลล์ขึ้นไป 

    ในปี พ.ศ. 2016 ทีมงานได้สร้าง JCVI-syn3.0 ซึ่งเป็นสิ่งมีชีวิตเซลล์เดียวที่มียีนน้อยกว่าสิ่งมีชีวิตธรรมดาในรูปแบบอื่นๆ ที่รู้จัก (มีเพียง 473 ยีนเมื่อเทียบกับยีน 1.0 ยีนของ JVCI-syn901) อย่างไรก็ตาม สิ่งมีชีวิตนั้นทำพฤติกรรมที่คาดเดาไม่ได้ แทนที่จะผลิตเซลล์ที่แข็งแรง กลับสร้างเซลล์ที่มีรูปร่างแปลกๆ ระหว่างการจำลองตัวเอง นักวิทยาศาสตร์ตระหนักว่าพวกเขาได้กำจัดยีนออกจากเซลล์เดิมมากเกินไป รวมทั้งยีนที่มีหน้าที่ในการแบ่งเซลล์ปกติด้วย 

    ผลกระทบก่อกวน

    นักชีวฟิสิกส์จากสถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์ (MIT) และสถาบันมาตรฐานและเทคโนโลยีแห่งชาติ (NIST) ผสมรหัส JCVI-syn3.0 ด้วยความมุ่งมั่นที่จะค้นหาสิ่งมีชีวิตที่มีสุขภาพดีโดยมียีนน้อยที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ ในปี 2021 พวกเขาสามารถสร้าง ตัวแปรใหม่ที่เรียกว่า JCVI-syn3A แม้ว่าเซลล์ใหม่นี้จะมียีนเพียง 500 ยีน แต่การทำงานของนักวิจัยก็เหมือนกับเซลล์ปกติมากขึ้น 

    นักวิทยาศาสตร์กำลังทำงานเพื่อแยกเซลล์ให้เล็กลง ในปี 2021 สิ่งมีชีวิตสังเคราะห์ชนิดใหม่ที่รู้จักกันในชื่อ M. mycoides JCVI-syn3B วิวัฒนาการเป็นเวลา 300 วัน ซึ่งแสดงให้เห็นว่าสามารถกลายพันธุ์ได้ภายใต้สถานการณ์ที่แตกต่างกัน นักวิศวกรรมชีวภาพยังมองโลกในแง่ดีว่าสิ่งมีชีวิตที่มีความคล่องตัวมากขึ้นสามารถช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ศึกษาชีวิตในระดับพื้นฐานที่สุดและเข้าใจว่าโรคต่างๆ ก้าวหน้าไปอย่างไร

    ในปี 2022 ทีมนักวิทยาศาสตร์จาก University of Illinois at Urbana-Champaign, JVCI และ Technische Universität Dresden ในเยอรมนี ได้สร้างแบบจำลองคอมพิวเตอร์ของ JCVI-syn3A โมเดลนี้สามารถทำนายการเติบโตและโครงสร้างโมเลกุลของอะนาล็อกในชีวิตจริงได้อย่างแม่นยำ ในปี 2022 มันเป็นแบบจำลองเซลล์ที่สมบูรณ์ที่สุดที่คอมพิวเตอร์จำลองได้

    การจำลองเหล่านี้สามารถให้ข้อมูลที่มีค่าได้ ข้อมูลนี้รวมถึงเมแทบอลิซึม การเจริญเติบโต และกระบวนการข้อมูลทางพันธุกรรมในวัฏจักรของเซลล์ การวิเคราะห์นำเสนอข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับหลักการของชีวิตและวิธีที่เซลล์ใช้พลังงาน รวมถึงการขนส่งกรดอะมิโน นิวคลีโอไทด์ และไอออน ในขณะที่การวิจัยเซลล์ขั้นต่ำเติบโตอย่างต่อเนื่อง นักวิทยาศาสตร์สามารถสร้างระบบชีววิทยาสังเคราะห์ที่ดีขึ้น ซึ่งสามารถใช้ในการพัฒนายา ศึกษาโรค และค้นพบวิธีการรักษาทางพันธุกรรม

    ผลกระทบของเซลล์ขั้นต่ำเทียม

    ความหมายที่กว้างขึ้นของการพัฒนาเซลล์เทียมขั้นต่ำอาจรวมถึง: 

    • ความร่วมมือระดับโลกที่มากขึ้นเพื่อสร้างระบบชีวิตที่เรียบง่ายแต่ใช้งานได้สำหรับการวิจัย
    • เพิ่มการเรียนรู้ของเครื่องและการใช้การสร้างแบบจำลองคอมพิวเตอร์เพื่อทำแผนที่โครงสร้างทางชีววิทยา เช่น เซลล์เม็ดเลือดและโปรตีน
    • ชีววิทยาสังเคราะห์ขั้นสูงและลูกผสมระหว่างสิ่งมีชีวิตกับเครื่องจักร รวมถึงหุ่นยนต์บนชิปและหุ่นยนต์ที่มีชีวิต อย่างไรก็ตาม การทดลองเหล่านี้อาจได้รับการร้องเรียนด้านจริยธรรมจากนักวิทยาศาสตร์บางคน
    • บริษัทเทคโนโลยีชีวภาพและชีวเวชภัณฑ์บางแห่งลงทุนอย่างมากในโครงการริเริ่มทางชีววิทยาสังเคราะห์เพื่อพัฒนายาและการบำบัดอย่างรวดเร็ว
    • นวัตกรรมและการค้นพบที่เพิ่มขึ้นในการตัดต่อพันธุกรรมเมื่อนักวิทยาศาสตร์เรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับยีนและวิธีการจัดการกับยีนเหล่านี้
    • กฎระเบียบที่เพิ่มขึ้นเกี่ยวกับการวิจัยเทคโนโลยีชีวภาพเพื่อให้มั่นใจถึงหลักปฏิบัติด้านจริยธรรม ปกป้องทั้งความสมบูรณ์ทางวิทยาศาสตร์และความไว้วางใจของสาธารณะ
    • การเกิดขึ้นของโปรแกรมการศึกษาและการฝึกอบรมใหม่ๆ ที่เน้นเรื่องชีววิทยาสังเคราะห์และรูปแบบชีวิตเทียม เพื่อให้นักวิทยาศาสตร์รุ่นต่อไปมีทักษะเฉพาะทาง
    • เปลี่ยนกลยุทธ์ด้านการดูแลสุขภาพไปสู่การแพทย์เฉพาะบุคคล การใช้เซลล์เทียมและชีววิทยาสังเคราะห์เพื่อการรักษาและการวินิจฉัยแบบเฉพาะบุคคล

    คำถามที่ต้องพิจารณา

    • หากคุณทำงานในสาขาชีววิทยาสังเคราะห์ ประโยชน์อื่นๆ ของมินิมอลเซลล์คืออะไร?
    • องค์กรและสถาบันจะทำงานร่วมกันเพื่อพัฒนาชีววิทยาสังเคราะห์ได้อย่างไร

    ข้อมูลอ้างอิงเชิงลึก

    ลิงก์ที่เป็นที่นิยมและลิงก์สถาบันต่อไปนี้ถูกอ้างอิงสำหรับข้อมูลเชิงลึกนี้: