iPon Cikkek

A minimálgenom és a szintetikus élet

Dátum | 2016. 03. 30.
Szerző | Jools
Csoport | EGYÉB

Craig Venter és kollégái kaliforniai laborjukban egy olyan sejtet hoztak létre, amely minden más önállóan funkcionáló organizmusnál kevesebb génnel rendelkezik. A 473 gént tartalmazó sejt rendkívül fontos mérföldkövet jelent a csapat munkájában, amelynek célja az élet legszükségesebb összetevőinek azonosítása, és ezen tudás birtokában újfajta, mesterséges életformák létrehozása. A szintetikus élet kapcsán először persze nem kell nagy dolgokra gondolni: Venter és társai úgy képzelik el a közeljövőt, hogy a jelenleg számos különböző anyag megtermelésére használt, génszerkesztett baktériumok helyett az általuk előállított sejtek állítják majd elő a kívánt hatóanyagokat, üzemanyagot és egyéb anyagokat. Ennek kapcsán persze rögtön felmerülhet az a kérdés, hogy ha az egyre jobb és egyre olcsóbb génszerkesztési eljárások révén az egysejtűeket napjainkban már viszonylag könnyű rávenni arra, hogy bizonyos anyagokat megtermeljenek, mi értelme éveket és vagyonokat ölni abba, hogy nulláról felépítsék a szakértők azt, ami készen rendelkezésre áll, csak némi átalakítást igényel. Venter és csapata 2010-ben mutatták be első szintetikus sejtjüket, bár ennek valóban mesterséges voltát sokan megkérdőjelezték. A kutatók ugyanis egyszerűen lemásolták egy létező baktérium génállományát, majd ezt beültették egy másik sejtbe. A mostani eredmény azonban egészen más jellegű, hiszen a létrehozott minimalista sejtek nem hasonlítanak egyetlen természetben létező életformára sem. Ehelyett, ahogy Venter fogalmazott, egy teljesen új, szintetikus faj tagjai.
Az újfajta genomok kiépítésének lehetősége a szintetikus biológusok legnagyobb álma, mondja Paul Freemont, az Imperial College London kutatója. Ezen álom megvalósítását ugyanakkor nemcsak anyagi, hanem technikai szempontok is nehezítik. Míg a génszerkesztés, és annak legújabb módszere, a CRISPR–Cas9 nagyon hamar rendkívüli népszerűségre tett szert, és használata gyorsan elterjedt az ipari, mezőgazdasági és orvosi laborokban, szintetikus sejtek létrehozásával alig foglalkozik valaki. „A CRISPR felbukkant, és egyik napról a másikra 30 ezer vagy még több kutató kezdte alkalmazni” – mondja George Church, a Harvard genetikusa. A kaliforniai labor munkatársai szerint azonban ahhoz, hogy tényleg megértsük, mit is jelent az élet, tudunk kell azt az alapoktól felépíteni. Venter csapata egy 1995-ös tanulmánnyal lépett a szakmai közönség elé, amelyben a Mycoplasma genitalium, egy nemi érintkezéssel terjedő terjedő baktérium genomjának szekvenálásáról számoltak be. Ez a mikroba azért tűnt érdekesnek az élet esszenciális genetikai hátterét kutató szakértők szempontjából, mert mindössze 525 génnel rendelkezik. A kutatók a gének egyenként való blokkolása révén felmérték, hogy mely DNS-szakaszok szükségesek az egysejtű működéséhez, és ilyen módon 375 olyan génre szűkítették le a keretet, amely feltétlenül szükségesnek tűnt.
Annak kiderítése érdekében, hogy eredményük tényleg helyes-e, a kutatók ezt követően nekiálltak a nulláról felépíteni a bakteriális genomot, hogy egy napon majd hasonló módszerrel létrehozzák azt a verziót is, amely ténylegesen csak a minimálisan szükséges fehérjekódoló szakaszokat tartalmazza. A szükséges DNS-szakaszokat kémiai úton szintetizálták, majd összekapcsolták a fragmentumokat. A munka eleinte nagyon lassan, majd a technológia fejlődésével egyre gyorsabban ment, míg végül 2008-ra sikerült elkészíteni az M. genitalium genomjának majdnem pontos másolatát. (Az eredeti és a szintetikus genetikai állomány közt mindössze annyi eltérés volt, hogy a kutatók „vízjel” gyanánt beleépítettek a genomba néhány nem funkcionális szakaszt.) A munka során azonban arra is rájöttek a szakértők, hogy bár az általuk elsőre kiválasztott baktériumfaj genommérete alapján jó kiindulópont volt a kutatáshoz, annak laborbeli tenyésztése problematikus. Rövidesen tehát leváltották a fajt a jóval gyorsabban szaporítható Mycoplasma mycoidesre. Miután ennek genomjának szintetikus másolatát is elkészítették (a DNS-szekvenciát saját nevükkel és néhány híres idézettel bővítve ki), beültették a génállományt egy olyan baktériumba, amelyet előzőleg megfosztottak saját genomjától. Az így létrehozott JCVI-syn1.0 nevű sejteket 2010-ben mutatták be a nagyközönségnek, a szintetikus élet első képviselőiként prezentálva a baktériumokat. A nagy port kavart eredmény kapcsán ugyanakkor többen is jelezték, hogy Venter nem új életet teremtett, hanem csak egy létező receptet másolt le, amelyet ráadásul ki is bővített néhány plusz szakasszal. A több mint egymillió bázispárra duzzasztott genom pedig sok mindennek nevezhető, de az élet minimumának biztosan nem.
A kutatók ezt követően már valóban eredeti céljuk felé fordultak, és megkísérelték létrehozni az M. mycoides 471 génes változatát, kiiktatva a képből mindazon géneket, amelyek olyan tápanyagok termeléséhez szükségesek, amelyeket kívülről is lehetséges pótolni a mikroorganizmus számára. Ez a kísérlet végül nem eredményezett életképes végeredményt. Az élethez szükséges gének azonosítása érdekében a kutatók a munka következő szakaszában új stratégiához folyamodtak. Az M. mycoides genomját újra és újra nyolc részre osztották fel, majd a szegmentumokat kombinálva megvizsgálták, hogy melyik elrendezés produkál életképes sejteket. A szakértők ilyen módon minden egyes kísérlettel közelebb kerültek ahhoz, hogy mely géneket kell belefoglalniuk a minimálgenomba. A módszer révén ráadásul arra is fény derült, hogy melyek azok a nem kódoló szakaszok, amelyek feltétlenül szükségesek az élethez, mivel létfontosságú gének kifejeződését szabályozzák. A munka során olyan génekre is sikerült ráakadni, amelyek gyakorlatilag ugyanazt a feladatot látják el a sejtben, így egyikük törölhető lehet. A próbálkozások másik érdekes eredménye az volt, hogy kiderült, a gének meglepően rugalmasak, ami funkciójukat illeti. Az egyes DNS-szakaszok feladata ugyanis több esetben is attól függött, hogy milyen más gének voltak jelen a genomban. Ez pedig erősen alááshatja az elmúlt évtizedekben meghonosodott, „géncentrikus” szemléletmódot, amely alapján egyes génváltozatok meglétét a kutatók bizonyos betegségek kialakulásához kötik.
JCVI-syn3.0
Egy „kórokozó” allél egy faj egyik egyedében valóban veszélyes lehet, míg egy másikban, ahol más génváltozatokkal van körülvéve, teljesen ártalmatlan, illetve fordítva. Egyáltalán nem biztos tehát, hogy a problémásnak ítélt génváltozatok genomból való kiszerkesztése kielégítő megoldást jelent az ilyen problémákra, mondja Venter, aki szerint emberi génszerkesztéssel addig nem is lenne szabad próbálkozni, amíg a végére nem járnak ezen kérdéseknek. A munka eredményeként kidolgozásra került egy szekvencia, amely 531 ezer bázispárból és 473 génből áll, és teljesen életképes. A JCVI-syn3.0 ráadásul egészen tisztességes, 3 órás megkettőződési idővel rendelkezik, ami az M. genitalium 18 és az M. mycoides 1 órájával összevetve abszolút versenyképes eredmény. „Richard Feynmant idézve, amit nem tudunk létrehozni, azt nem értjük – ez a feltétel pedig jelen esetben teljesült” – mondja Martin Fussenegger svájci kutató. „Már csak hozzá kell adni néhány gént, és meglátjuk, mi történik.” A syn3.0 számára a működéséhez szükséges molekulák javát külső forrásból kell folyósítani, génjei pedig olyan belső feladatokat fedeznek, mint a fehérjeszintézis, a DNS másolása és a sejtmembrán kiépítése. Venter elmondása szerint ugyanakkor egyelőre még nem teljesen igaz az a megállapítás, hogy a kutatók értik, amit létrehoztak, a minimálgenom 149 génjének feladatára ugyanis eddig nem sikerült fényt deríteni. Ezek jelentős része más élőlényekben is megvan, de hogy mit csinálnak, az rejtély. A következő feladat tehát annak megértése, hogy a jelenlegi legkisebb önálló élethez szükséges genomban vajon mit művel a gének ezen rejtélyes harmada.
Ez Fussenegger szerint is nagyon izgalmas kérdés, hiszen a bolygón élő fajoknak már egy jelentős része esetében ismert a genom szekvenciája, úgy tűnik azonban, hogy az élethez szükséges génekről még messze nem tudunk mindent. Church szerint is éppen emiatt az eredmény miatt lehet különösen értékes az új eredmény. A szakértő úgy véli, hogy a felvetődő kérdések új lendületet adhatnak a szintetikus biológiai kutatásoknak, amelyekre egyre nagyobb szükség lesz. Míg ugyanis génszerkesztési eljárások révén nagyon sok minden megoldható, az igazán specifikus hatóanyagok és kémikumok előállításához inkább genomtervezésre, mint genomátalakításra lesz szükség. Arról nem is beszélve, hogy mesterségesen előállított genomok révén, ahogy az a mostani kutatásból is kiderült, új megközelítésben lehet vizsgálható, hogy mi szükséges az élethez, vagy hogy hogyan változnak a genomok. Venter azt is hozzáteszi mindehhez, hogy bár a syn3.0 genom próbálkozások hosszú sora árán állt össze, a jövőben ezen a téren gyors fejlődés várható. Hiszen minden egyes szintetikus genommal több tudható meg arról, hogyan érdemes ezeket a génállományokat felépíteni, és melyek azok a kulcsfontosságú részletek, amelyek működőképessé tesznek egy-egy genetikai állományt. Az eredmény kapcsán ugyanakkor fontos leszögezni, hogy a 473 génes genom nem a minimálgenom, hanem csak egy minimálgenom a sok közül. Ha Venter és kollégái más körülmények között tenyésztették volna mikrobáikat, egészen másfajta esszenciális génkészletet kaptak volna a fölöslegesnek ítélt DNS-szakaszok kidobálása után. A végeredmény tehát csak az adott környezetben ezen baktérium számára minimálisan szükséges gének összességét tükrözi.
Új hozzászólás írásához előbb jelentkezz be!

Eddigi hozzászólások

14. Renhoek
2016.03.30. 10:50
Az unknown nagyon X-COM-osan hangzik, pedig csak arról van szó, hogy nem tudjuk mit csinál az a szakasz. Nem valami isteni kód vagy ilyesmi.
Pl egy szabályozó szakasz, ami létfontosságú egy működés finomhangolásához. A vizsgálatuk baromi nehéz és időigényes. Pl ha kiütöd, akkor meg kell tudni mitől és hogyan pusztult meg az a sejt. Sokszor ez nagyon nehézkesen megy. Vagy megjelölöd és figyeled mikor aktiválódik. Persze lesznek és vannak is automatikus módszerek, amivel majd a laborasszisztensek hosszadalmas munkája kiváltható lesz... Kíváncsi vagyok mikor kell majd feltüntetni az AI-t vagy robotot a társszerzők között. ResearchAI et al.
 
Válasz írásához előbb jelentkezz be!
13. GhanBuri
2016.03.30. 16:37
Szerintem egy idő után eljutnak arra a szintre, hogy sokkal lassabb kísérletezéssel megtudni, hogy mitől függ egy gén szerepe, mint az eddig megismert változások alapján szimulátorban levezetni, hogy hogyan is szabályozzák a gének a sejt működését. Ha lesz teljes szimulátor, onnantól lehet majd azt mondani, hogy a semmiből állítanak elő szintetikus életet.
 
Válasz írásához előbb jelentkezz be!
12. Renhoek GhanB...
2016.03.30. 21:21
Kizártnak tartom, hogy mostanában lesz ilyen... Szerintem évtizedekig sem reális.

A mai szimulációk egy-egy makromolekula, fehérje működését közelítik többféle modell alapján, ami a kvantummechanikára épül. Olyan rettentő bonyolult számítások ezek az összetett elektronhéj szerkezet miatt, hogy nincs reális alapja egy hosszabb DNS szakasz szimulálásának sem. Nem, hogy egy teljes atomi szintű bakteriális működés...

Talán a kvantumszámítógép a távoli jövőben megoldhatja ezt, de az is lehet, hogy nem. Még eléggé korlátozott az elméleti felhasználása is a Q-biteknek. Még könnyen lehet, hogy kriptográfiára egymillárdszor gyorsabb lesz, addig egy ilyen szimulációra nem alkalmas. Majd kiderül, ha lesz igazi.

...Sajnos itt nem csak ACTG kódok írogatásáról van szó, hanem pl hogyan tekeredik össze egy fehérje, vagy transzkripciós faktor stb... Lehet a távoli jövőben eljutunk egy baktérium szimulálásáig, de az nem mostanában lesz. Addig majd foldingoltatunk a PC-ken
 
Válasz írásához előbb jelentkezz be!
11. Renhoek
2016.03.30. 21:27
Egyébként érdekes téma ez a szimulálás... ha odáig eljutnánk, hogy előre tervezhető lenne egy fehérje könnyedén, akkor nagyon sok problémára találnánk megoldást.

Ez egy önmagától összehajtogatódó kis robot, ami bármilyen feladatot elvégez. Oda kellene eljutnunk, hogy tervezel egy funkciót, térszerkezetet, majd a számítógép kidobja a megfelelő DNS szekvenciát amit lehet már gyártani így. Jelenleg inkább a meglévőket módosítgatják, alapból 1-1 fehérje térszerkezetének a meghatározása is rettentő sok idő, évek is lehetnek. Nem olyan triviális ez...

Tényleg az lenne jó, hogy beütök a gépbe egy tervezett DNS kódot/ funkciót, és kidob egy működő és gyártható térszerkezetet. Ha még az életünkben eljutunk ide, az már egy szép eredmény. Pókselyemtől rákgyógyszerig bármit tervezhetnénk, modellezhetnénk majd gyárthatnánk így bacikkal, vagy GM kecsketőggyel.
 
Válasz írásához előbb jelentkezz be!
10. kiskoller Renho...
2016.03.30. 22:13
Az emberiség tudása pár évente megduplázódik, és a fejlődés üteme rettentő módon gyorsul. Nem tartom kizártnak, hogy bármely dolog, amit ma lehetetlennek vagy nagyon komplikáltnak tartunk, 30 év múlva már gyerekjáték lesz, akár az emberi agy teljes szimulációja, AI, egy ilyen sejt szimulációja, mesterséges élet, csillagközi utazás, bármi amivel most foglalkozol.

Elképzelhető, hogy mire én elérném a 70 éves kort, már feltaláljuk az öregedés megakadályozását, és még az én időmben biológiailag halhatatlanok lesznek az emberek (egy része)

Ezek közül nem fog mind megvalósulni, de jelentős részük igen.
 
Válasz írásához előbb jelentkezz be!
9. Renhoek kisko...
2016.03.31. 03:00
Persze én örülnék neki a legjobban... csak ehhez hirtelen és óriási áttörés kell a számítási kapacitásban.

Úgy vélem, hogy egy sejt atomi szintű szimulációjához, ami rettentően pontosan modellezi a kvantumhatásokat (amit pontosan nem is ismerünk még a biofizikai jelenségeknél, reakcióknál) radikálisan új számítógépekre lesz szükség. - mármint amivel pontosan meghatározható lehetne, hogy egy ismeretlen DNS szakasz miként befolyásolja atomi szinten a sejt működését... Ez lehet a kvantumszámítógép például.

Nem mondtam, hogy nem érnek el áttörést hamarosan, de addig még mindig sokkal egyszerűbb mondjuk megjelölni egy fluoreszcens festékkel, és követni 2-photon mikroszkóppal mi történik. Erre lesznek valószínűleg automatikus eszközök, amik elkészítenek sokezer sejtet és vizsgálják mit tett a gén.

 
Válasz írásához előbb jelentkezz be!
8. GhanBuri Renho...
2016.03.31. 07:16
Hasonló probléma megoldására adtak kémiai Nobel-díjat 2013-ban:
https://ipon.hu/elemzesek/kiberkemia/1887/

Nem kell az összes reakciót kvantumszinten számolni, ezekből nagyon sok ugyanannak az ismétlődése.
 
Válasz írásához előbb jelentkezz be!
7. Renhoek GhanB...
2016.03.31. 10:58
Használtunk mi is ilyen szoftveteket, pl gyógyszermolekukák ís fehérjék vizsgálatára... nagyon is jók erre, persze %-os becsléseket ad... de itt nem csak pár fehérjéről van szó, hanem egy sokmilliószor nagyobb reakcióközegről. Ki lehet számolni kb mennyi makromolekula folyamatos kölcsönhatását kell szimulálni még ezekkel a könnyítésekkel is.

Jelenleg ott tartunk, hogy az összetettebb fehérjék, mondjuk a DNS másoló varrógép mechanizmusra csak feltételezések alapján összerakott renderelt fantáziavideók vannak.
 
Válasz írásához előbb jelentkezz be!
6. Renhoek
2016.03.31. 11:21
Off,: de a szimulációhoz kapcsolódhat: [Quantum-chip atomi szimuláció]

Szerintem lesznek itt áttörések, és akkor tényleg eljuthatunk majd oda, hogy benyomok egy DNS szakaszt, és kiköpi a fehérje térszerkezetét(eit). Mondom, jelenleg ami a PDB-n található 3D-s térszerkezet, azt 1-2 év is lehet meghatározni, összelegózni különféle krisztallográfiai módszerek, NMR segítségével - a valós szintetizált fehérjét vizsgálgatva. Pedig tudjuk a DNS szekvenciát, de mégis... Ha erre csinál valaki egy megbízható szimulációt, akkor az tuti 10 Nobelt fog kapni

 
Válasz írásához előbb jelentkezz be!
5. VAjZY
2016.04.01. 23:29
..."Ezek jelentős része más élőlényekben is megvan, de hogy mit csinálnak, az rejtély."
Ezt a kérdést már régóta fel akartam tenni, hogy milyen módszerekkel "kapcsolnak össze" egy bizonyos funkciót vagy bármilyen kifejeződést az adott génnel, és mitől olyan biztos, hogy egy kifejeződést pont az a gén kódol?
 
Válasz írásához előbb jelentkezz be!
4. GhanBuri Renho...
2016.04.04. 14:49
A legjobb modell az lesz, amelyik a legegyszerűbb módon tudja megjósolni a valós végeredményt, persze ahhoz sokkal többet kell tudni, hogy mi az, amit el lehet hagyni, mert nem lényeges.
Olyasmire gondoltam, hogy még nem tudjuk, melyik gén miért felelős, illetve azt lehet sejteni, hogy egy-egy gén több jellemzőért is felelhet, illetve egy tulajdonságot több, akár egymástól távol eső gén határozhat meg.
A legjobb lenne ennek a felderítését automatizálni, pl. több millió ember teljes genomját letárolni minét teljesebb fizikai leírással (mint például magasság, bőrszín, szemszín, szervek állapota, kórkép), majd ezeket rábízni egy mintaillesztő algoritmusra, hogy próbáljon összefüggéseket találni. Jó esetben szépen kiadná, hogy melyik gén felel például szem kék színéért.
Az az izgalmas, hogy a gének működésének megértése nagyban hasonlít ahhoz, mintha egy ismeretlen processzoron futó ismeretlen nyelven megírt kóddal találkoznánk, és a gépi kódból kellene megismerni a nyelvet magát, így kellene új programot írnunk.
Tudom, a számok elég nagyok, tisztában vagyok a nagyságrendi kérdésekkel, hogy mekkora is egyetlen teljes genom kódja.
 
Válasz írásához előbb jelentkezz be!
3. rfj1989
2016.04.04. 16:17
Nemsokára a terroristák sem robbantani fognak, csak kifejlesztenek egy fincsi kis szuperbacit/vírust amire csak nekik lesz ellenszerük és bumm...
 
Válasz írásához előbb jelentkezz be!
2. Renhoek VAjZY
2016.04.05. 16:05
Pl amit írtam, a knock-out élőlény. Nyilván embernél nem lehet megtenni, de egérnél vagy baktériumnál simán.

A lényeg, hogy adott egy gén, és annak egy szakaszába integrálsz egy mutációt, mondjuk egy vírus segítségével (retro, lenti, vagy AAV) vagy CRISP/CAS9 segítségével. Kivágódik a jó szakasz és helyébe kerül a mutáns. Aztán lehet vizsgálni, hogy mi történik ezek után... amúgy terápiaként is használható, ha valakinek egy génje túlműködik, vagy túl sok fehérje termelődik emiatt, vagy éppen egy tumort okozó gén elszabadul, akkor így el lehet rontani.
 
Válasz írásához előbb jelentkezz be!
1. Renhoek rfj19...
2016.04.05. 16:09
Olyan nincs, hogy tökéletes ellenszerük lesz rá. Hogyha brutális mértékben terjed egy vírus, akkor mindig bennevan a mutáció lehetősége... és akkor már cseszhetik is az ellenszert.

Ha meg csak minél pusztítóbb vírus kifejlesztése a cél, ahhoz nem is kell géntechnológia. Egyszerűen összeeresztesz különféle beteg élőlényeket, mindenféle jelenlegi vírussal megfertőzve, aztán kialakulnak nagyon veszélyes kombók. Vagy baktériumok esetében sajnos nagyon egyszerűen kicserélődhetnek az antibiotikum rezisztencia génjeik. Baktériumszex által elküldik egymásnak ezeket szépen.

Természetesen mint minden hasznos dolgot általában ezt is fel lehet használni bioterrorizmusra majd.
 
Válasz írásához előbb jelentkezz be!