Hoe het leven opnieuw te maken?

Met een precieze beweging pipettert Li Ma, een technicus van het J. Craig Venter Institute in Rockville, MD, een kersenrode oplossing van bacteriële cellen in een injectieflacon die een heldere oplossing van fragiele DNA-lussen bevat. Deze lussen, de grootste stukjes DNA die ooit in het laboratorium zijn geassembleerd, zijn elk in staat om alle gewone functies van een cel te regelen. Maar het DNA is niet afkomstig van bacteriën: in plaats daarvan hebben wetenschappers het samengesteld uit chemicaliën in flessen. Het proces dat ze hiervoor onlangs ontwikkelden, levert als eerste synthetische cellen op die kunnen overleven. Sommige van de bacteriële cellen waarmee Ma werkt, zullen samensmelten in de oplossing, het synthetische genoom overspoelen en zich vervolgens repliceren en onder zijn controle leven.

Een oplossing van cellen, waarvan sommige het nieuwe genoom bevatten, wordt gemengd met een op gel gebaseerd kweekmedium dat een antibioticum bevat. Daarna wordt het in petrischalen gegoten en in een incubator geplaatst. Alleen cellen die het synthetische genoom bevatten, dragen een gen dat hen beschermt tegen het antibioticum. De blauwe vlekken zijn kolonies van bacteriën die nu worden gecontroleerd door het getransplanteerde synthetische genoom.

Conventionele genetische manipulatie is een langdurig proces waarbij genen één voor één worden veranderd, vaak over opeenvolgende generaties van organismen. Dat maakt het radicaal veranderen van een genoom een ​​ontmoedigende propositie. Maar met de nieuw ontwikkelde technieken kunnen onderzoekers genomen op een computer bewerken, genen aftrekken of toevoegen door ze letterlijk in een bestand te knippen en te plakken. Het lijkt meer op tekstverwerking dan het traditionele laboratoriumwerk dat betrokken is bij het kweken en screenen van generaties organismen. De onderzoekers kunnen vervolgens het genetische equivalent van het afdrukken van het bestand uitvoeren, waarna ze het resultaat - een nieuw genoom - in bestaande cellen kunnen transplanteren. Deze stappen versnellen het engineeringproces aanzienlijk; het kan slechts enkele weken duren om experimenten te voltooien die voorheen maanden of jaren zouden hebben geduurd.

Dit verhaal maakte deel uit van ons septembernummer van 2010

• Zie de rest van het probleem
• Abonneren

Uiteindelijk willen onderzoekers synthetische biologie gebruiken om microben te ontwerpen die zeer efficiënt vaccins, schone brandstoffen en andere producten produceren. Maar ze kunnen niet van de grond af nieuwe genomen ontwikkelen, omdat ze nog niet genoeg weten over welke genen en netwerken van genen nodig zijn om het leven in stand te houden en een gewenst product te produceren. Je zou één gen kunnen verwijderen en de cel leeft; verwijder een tweede en het sterft; verwijder dan een derde en het leeft weer, zegt Daniel Gibson, universitair hoofddocent aan het instituut. Zo experimenteren de Venter-onderzoekers met de sequentie van een natuurlijk voorkomend genoom. Ze hopen meer te leren over hoe genomen en cellen werken door snel genen in verschillende combinaties te verwijderen en toe te voegen, de nieuwe genomen in cellen op te nemen en vervolgens te observeren hoe die genomen wel of niet functioneren.

Genetische revisie

Het proces begint op de computer, waar Gibson het genoom van de bacterie ophaalt Mycoplasma mycoides . Het is een relatief eenvoudige, bestaande uit slechts 1.078.809 DNA-basenparen die samen ongeveer 900 genen vormen. (In vergelijking, E coli bacteriën hebben ongeveer 4.400 genen.) Gibson en zijn collega's hebben een paar wijzigingen aangebracht: ze hebben 14 genen uit de sequentie verwijderd en andere toegevoegd. Om een ​​watermerk te maken dat hun creatie onderscheidt, ontwikkelden ze een code die het Engels omzet in het vierletterige alfabet van DNA en gebruikten het om het genoom te wijzigen, door hun namen, een URL, een paar zinnen en een e-mailadres op te nemen in de genoom.

De groep van Gibson gebruikt vervolgens software om het gemodificeerde genoom in 1.100 secties te verdelen, elk ongeveer 1080 basenparen lang - een grootte die economisch kan worden gemaakt met een DNA-synthesizer, een machine die stukken DNA samenvoegt van individuele basenparen die in flessen worden geleverd. Ten slotte schakelen de onderzoekers gistcellen in om deze lange secties aan elkaar te naaien, een taak die machines niet kunnen doen.

Gibson knielt voor een koelkast in het lab en haalt 12 plastic dozen tevoorschijn, die elk 96 putjes vol DNA-fragmenten bevatten op basis van de computer-gemodificeerde ontwerpen. Hij stapelt ze op een bankje en zegt: Dit is het hele genoom in 1100 stukjes. Gibson gebruikt een pipet om 10 fragmenten in volgorde te verzamelen en voegt ze toe aan een klein plastic buisje, samen met een extra DNA-fragment dat zal helpen de sequentie samen te trekken in een lus. Vervolgens voegt hij gistcellen toe die zo zijn behandeld dat ze de DNA-stukjes kunnen opnemen. Elke gistcel denkt dat deze stukjes DNA deel uitmaken van zijn eigen chromosoom, en het is kapot, zegt hij. Het wil ze weer bij elkaar brengen. De onderzoekers ontwierpen de DNA-fragmenten zo dat de aan elkaar te koppelen uiteinden een bijpassende sequentie hebben. De gist brengt de 10 fragmenten bij elkaar door deze sequenties te matchen om DNA-lussen te produceren die elk 10.000 basenparen lang zijn. Door het proces te herhalen, worden de sequenties van 10.000 basenparen met elkaar verbonden om segmenten van 100.000 basenparen van het genoom te vormen. Na een derde poolingstap heeft de gist het hele synthetische genoom aan elkaar genaaid. Met behulp van gevestigde methoden worden de synthetische genomen uit de gist geëxtraheerd.

De omgang met het geëxtraheerde DNA is een grote zorg: zelfs een klein genoom is een gigantisch, fragiel molecuul. Het zal in 100 stukjes breken als je er gewoon verkeerd naar kijkt, zegt Gibson. Als het in een vloeibare oplossing zou worden gesuspendeerd, zou het DNA alleen door de beweging van de vloeistof kunnen worden vernietigd. Dus Gibson immobiliseert de genomen in agarose, een van algen afgeleide gel die gewoonlijk wordt gebruikt als medium voor microben. Ingesloten in deze beschermende pellet kunnen ze veilig worden bewaard totdat de onderzoekers klaar zijn om ze in ontvangende cellen te transplanteren.

Kleine transplantatie

In een laboratorium verderop in de hal heeft Ma de cellen voorbereid die de nieuwe sequentie zullen ontvangen: een soort bacterie genaamd Mycoplasma capricolum dat is nauw verwant aan de soort waarvan het synthetische genoom is afgeleid. Terwijl een enzym dat agarose afbreekt DNA-bevattende pellets vloeibaar maakt in één reageerbuis, krijgt Ma een andere reageerbuis en mengt de bacteriën met calciumchloride en polyethyleenglycol, een cocktail waarvan de onderzoekers denken dat het de celoppervlakken kneedbaar en plakkerig maakt. Nu is het een kwestie van toeval en een vaste hand. Ma pipetteert een deel van het celmengsel in het flesje met de synthetische genoomlussen. De kleverige cellen beginnen met elkaar te versmelten. Om hun bolvorm na fusie te behouden, moeten ze volume opnemen uit de oplossing om hen heen. Terwijl dit gebeurt, nemen sommige cellen - ongeveer één op de 100.000 - ook het synthetische genoom op. Het resultaat is een soort supercel met drie genomen: het synthetische genoom en één van elk van de twee cellen. De supercel deelt zich vervolgens in drie kleinere cellen, waarvan er één het synthetische genoom bevat.

Ma smeert de celoplossing uit op kweekplaten met daarin een antibioticum waar alleen cellen met het synthetische genoom resistent voor zijn (de onderzoekers voegden tijdens de genoombewerking een gen toe waardoor ze daar ongevoelig voor zijn). Die cellen zullen leven, groeien en delen onder de controle van het nieuwe genoom. De rest sterft af en laat een zuivere kolonie synthetische cellen achter.

De volgende stap voor de onderzoekers van het Venter Institute is om hun genomische bewerkings-, synthese- en transplantatietechnieken te gebruiken om genomen te ontwerpen en te testen met steeds minder genen. Het doel is om een ​​minimale cel te creëren - één met alleen de genen die nodig zijn om te overleven. Zo'n cel zou gemakkelijker dan een natuurlijke te veranderen zijn door middel van genetische manipulatie.

De methoden van de onderzoekers zijn momenteel erg duur: het kost $ 300.000 tot $ 500.000 om een ​​synthetisch genoom te maken en te transplanteren als de onderzoekers het DNA in huis synthetiseren, of ongeveer drie keer zoveel als ze het van een externe leverancier kopen. Toch daalt de prijs van DNA-synthese en kan die nog verder dalen naarmate de vraag toeneemt en de technologie verbetert. Als dat gebeurt en de technieken voor het bouwen van het genoom net zo nuttig blijken te zijn als de Venter-onderzoekers hopen, zullen meer mensen hun methoden gaan gebruiken, zegt James Collins, een professor in biomedische technologie aan de Boston University.

Dit is een belangrijke vooruitgang voor synthetische biologie, zegt Collins. Nu moeten we zien, wat zijn de veranderingen die in het genoom kunnen worden aangebracht?

zich verstoppen