Штучні мінімальні клітини: створення достатньої кількості життя для медичних досліджень

КРЕДИТ ЗОБРАЖЕННЯ:
Кредит зображення
iStock

Штучні мінімальні клітини: створення достатньої кількості життя для медичних досліджень

Штучні мінімальні клітини: створення достатньої кількості життя для медичних досліджень

Текст підзаголовка
Вчені поєднують комп’ютерне моделювання, генетичне редагування та синтетичну біологію, щоб створити ідеальні зразки для медичних досліджень.
    • Автор:
    • ім'я автора
      Quantumrun Foresight
    • 23 Грудня, 2022

    Короткий огляд

    Досліджуючи основи життя, вчені зменшували геноми, щоб створити мінімальні клітини, відкриваючи основні функції, необхідні для життя. Ці зусилля призвели до несподіваних відкриттів і проблем, таких як неправильні форми клітин, що спонукало до подальшого вдосконалення та розуміння генетичних основ. Це дослідження прокладає шлях до прогресу в синтетичній біології з потенційним застосуванням у розробці ліків, дослідженні хвороб і персоналізованій медицині.

    Контекст штучних мінімальних клітин

    Штучні мінімальні клітини або мінімізація геному є практичним підходом синтетичної біології для розуміння того, як взаємодії між основними генами викликають життєво важливі фізіологічні процеси. Для мінімізації генома використовувався метод проектування-побудови-тестування-навчання, який спирався на оцінку та поєднання модульних геномних сегментів і інформації з мутагенезу транспозонів (процесу перенесення генів від одного хазяїна до іншого), щоб допомогти керувати видаленнями генів. Цей метод зменшив упередженість під час пошуку важливих генів і дав вченим інструменти для зміни, перебудови та вивчення геному та того, що він робить.

    У 2010 році вчені з американського Інституту Дж. Крейга Вентера (JVCI) оголосили, що вони успішно видалили ДНК бактерії Mycoplasma capricolum і замінили її ДНК, створеною комп’ютером на основі іншої бактерії Mycoplasma mycoides. Команда назвала свій новий організм JCVI-syn1.0, або скорочено «Синтетичний». Цей організм був першим самовідтворюючим видом на Землі, який складався з комп’ютерних батьків. Він був створений, щоб допомогти вченим зрозуміти, як функціонує життя, починаючи з клітин. 

    У 2016 році команда створила JCVI-syn3.0, одноклітинний організм із меншою кількістю генів, ніж будь-яка інша відома форма простого життя (лише 473 гени порівняно з 1.0 геном JVCI-syn901). Проте організм діяв непередбачуваним чином. Замість того, щоб виробляти здорові клітини, він створював клітини дивної форми під час самовідтворення. Вчені зрозуміли, що вони видалили занадто багато генів з вихідної клітини, включно з тими, що відповідають за нормальний поділ клітини. 

    Руйнівний вплив

    Сповнені рішучості знайти здоровий організм із якомога меншою кількістю генів, біофізики з Массачусетського технологічного інституту (MIT) і Національного інституту стандартів і технологій (NIST) у 3.0 році перемішали код JCVI-syn2021. Вони змогли створити новий варіант під назвою JCVI-syn3A. Незважаючи на те, що ця нова клітина має лише 500 генів, завдяки роботі дослідників вона поводиться більше як звичайна клітина. 

    Вчені працюють над тим, щоб ще більше знищити клітину. У 2021 році новий синтетичний організм, відомий як M. mycoides JCVI-syn3B, розвивався протягом 300 днів, демонструючи, що він може мутувати за різних обставин. Біоінженери також оптимістично налаштовані, що більш раціональний організм може допомогти вченим вивчити життя на найпростішому рівні та зрозуміти, як розвиваються хвороби.

    У 2022 році команда вчених з Університету Іллінойсу в Урбана-Шампейн, JVCI та німецького Technische Universität Dresden створили комп’ютерну модель JCVI-syn3A. Ця модель може точно передбачити ріст і молекулярну структуру свого реального аналога. Станом на 2022 рік це була найповніша цільна клітинна модель, змодельована комп’ютером.

    Ці симуляції можуть надати цінну інформацію. Ці дані включають метаболізм, ріст і процеси генетичної інформації протягом клітинного циклу. Аналіз дає змогу зрозуміти принципи життя та те, як клітини споживають енергію, включаючи активний транспорт амінокислот, нуклеотидів та іонів. Оскільки мінімальні дослідження клітин продовжують розвиватися, вчені можуть створювати кращі системи синтетичної біології, які можна використовувати для розробки ліків, вивчення хвороб і відкриття генетичних методів лікування.

    Наслідки штучних мінімальних клітин

    Більш широкі наслідки розробки штучних мінімальних клітин можуть включати: 

    • Більше глобальної співпраці для створення скорочених, але функціонуючих життєвих систем для досліджень.
    • Збільшене використання машинного навчання та комп’ютерного моделювання для картографування біологічних структур, таких як клітини крові та білки.
    • Передова синтетична біологія та гібриди машинно-організмів, у тому числі тіла на чіпі та живі роботи. Однак ці експерименти можуть викликати етичні скарги з боку деяких вчених.
    • Деякі біотехнологічні та біофармацевтичні фірми вкладають значні кошти в ініціативи синтетичної біології, щоб прискорити розвиток ліків і терапії.
    • Посилення інновацій і відкриттів у генетичному редагуванні, оскільки вчені дізнаються більше про гени та про те, як ними можна маніпулювати.
    • Посилені правила щодо біотехнологічних досліджень для забезпечення етичної практики, захисту як наукової чесності, так і суспільної довіри.
    • Поява нових освітніх і навчальних програм, зосереджених на синтетичній біології та штучних формах життя, які озброюють наступне покоління вчених спеціальними навичками.
    • Перехід у стратегії охорони здоров’я до персоналізованої медицини з використанням штучних клітин і синтетичної біології для індивідуального лікування та діагностики.

    Питання для розгляду

    • Якщо ви працюєте в галузі синтетичної біології, які інші переваги мінімальних клітин?
    • Як організації та інституції можуть співпрацювати для розвитку синтетичної біології?

    Посилання на Insight

    Для цієї інформації використовувалися такі популярні та інституційні посилання: