211service.com
Hoe maak je een kunstmatige cel?
Vorige maand kondigden onderzoekers van het J. Craig Venter Institute aan dat ze de eerste synthetische cel hadden gemaakt door een genoom van chemicaliën in flessen in elkaar te zetten en dat in een ontvangende cel te transplanteren. De mijlpaalprestatie vertegenwoordigt een nieuw niveau van controle over de substantie van het leven op moleculair niveau en een niveau dat zou kunnen leiden tot manieren om cellen te maken die vaccins in grote hoeveelheden en schonere brandstoffen produceren.
Synthetische cellen: De bacteriekolonies die op deze petrischalen groeien, bevatten een genoom dat op een computer is gemodificeerd en vervolgens in het laboratorium is samengevoegd.
Hoewel onderzoekers benadrukken dat het nog jaren zal duren voordat wetenschappers het ware potentieel van deze technieken om leven te creëren kunnen aantonen, gebruiken ze de experimenten nu om het fundamentele begrip van celbiologie te vergroten.
Tijdens een rondleiding vorige week door de faciliteiten van het instituut in Rockville, MD, waar de experimenten plaatsvinden, legden wetenschappers uit dat de synthetische cel is gemaakt als resultaat van een project om te leren hoe je een cel kunt maken met zo min mogelijk genen om live. De hoop is dat door de basisprincipes van het cellulaire leven te begrijpen, we cellen meer dingen kunnen laten maken, zegt John Glass , een professor aan het instituut. Cellen die zijn ontworpen om een bepaalde chemische stof te maken, zullen het efficiënter maken als onderzoekers elk ander niet-essentieel metabolisch proces kunnen elimineren. Ik heb altijd al willen weten hoe cellen werken, en nu hebben we de tools, zegt hij.
Een manier om erachter te komen wat het minimale genoom is, is door te beginnen met een microbe waarmee in het laboratorium gemakkelijk kan worden gewerkt, zoals gist of E coli en schakel elk gen één voor één uit. Maar dit proces duurt erg lang. In plaats daarvan beginnen de Venter-wetenschappers met een genoomsequentie van een bacterie die al een heel klein genoom heeft, veranderen het op de computer om genen toe te voegen of te verwijderen, synthetiseren het vervolgens uit chemicaliën, transplanteren het in een cel en zien hoe de veranderingen de functie van de cel beïnvloeden. Het op deze manier bouwen van een genoom versnelt het onderzoek van het instituut naar minimale genomen, zegt Daniel Gibson , universitair hoofddocent aan het Venter Instituut.
De eerste stap bij het maken van een synthetische cel is het ontwerpen van het genoom. Dit proces gebeurt op de computer, met de reeks van 1.077.947 letters die het genoom van de bacterie vormen Mycoplasma mycoides . In hun eerste demonstratie-experimenten verwijderden de onderzoekers 15 genen. En om een watermerk te maken dat het synthetische genoom onderscheidt van het natuurlijke, hebben ze ook toevoegingen gedaan. De onderzoekers codeerden hun naam, een URL, een paar aanhalingstekens en een e-mailadres in het vierletterige alfabet van DNA en voegden dit toe aan het genoom.
Het is tegenwoordig duur en tijdrovend om lange stukken DNA in het laboratorium te synthetiseren. Dus gebruikten de onderzoekers een computerprogramma om het genoom in 1100 stukjes te hakken, elk ongeveer 1080 basenparen of letters lang. Het computerprogramma voegde plakkerige reeksen toe aan beide uiteinden van elk plakje waarmee de stukjes weer in elkaar konden worden gezet. Onderzoekers stuurden deze 1100 ontwerpen vervolgens naar een DNA-synthesebedrijf.
Instituutsonderzoekers schakelen vervolgens gistcellen in om de 1.100 fragmenten te hechten tot een enkel, cirkelvormig stuk DNA dat het voltooide synthetische genoom vormt. Voordat de gist zijn werk kan doen, moet de groep van Gibson de DNA-fragmenten gistvriendelijk maken. De groep van Gibson voegt eerst aan elke set DNA-fragmenten een korte DNA-sequentie toe die de fragmenten in een lus trekt en de fragmenten vriendelijk maakt voor gistcellen die zijn behandeld om ze vatbaar te maken voor het opslokken van DNA.
Gibson combineert de gistcellen in oplossing met tien soorten DNA-fragmenten, die elk een opeenvolgende reeks vormen van de Mycoplasma genoom. De gistcellen doen het werk om de fragmenten weer bij elkaar te brengen. Dit proces wordt herhaald totdat de gist grotere en grotere stukken van het genoom samenvoegt. Uiteindelijk zullen sommige van de gistcellen een volledig synthetisch genoom hebben samengesteld. Na het testen om te verifiëren dat een kolonie het volledige bacteriële genoom heeft, kweken de onderzoekers de gist in een kolf zodat ze zich kunnen vermenigvuldigen en het genoom in grote hoeveelheden kunnen produceren.
De volgende stap is om het volledige synthetische bacteriële genoom uit de gist te extraheren en in bacteriële cellen te transplanteren. Het genoom uit gist halen en transporteren is het lastigste deel van het proces. Het mycoplasma-genoom is relatief klein, maar het is een enorm molecuul. De schuifkracht van water dat rond de kale DNA-moleculen beweegt, kan het uit elkaar trekken. Dus de onderzoekers immobiliseren het DNA in een gelpil en brengen het naar een ander laboratorium, waar de ontvangercellen van de transplantatie zijn geprepareerd. De ontvangende cellen, van de soort Mycoplasma capricolum , zijn nauw verwant aan de cellen waarvan het genoom de basis is van het synthetische genoom. Met vallen en opstaan hebben de onderzoekers ontdekt dat er een bepaald deel van de groei- en delingscyclus van de cellen is waarbij de kans het grootst is dat ze het vreemde DNA opnemen.
De ontvangende cellen het synthetische genoom laten opnemen, is deels een kwestie van toeval. Een onderzoeker mengt de ontvangende cellen met een chemische oplossing om hun oppervlakken vloeibaar en plakkerig te maken, en voegt de cellen vervolgens toe aan de DNA-oplossing. Eenmaal gemengd, beginnen de kleverige cellen met elkaar te versmelten. Om een bolvorm te behouden naarmate hun oppervlakte toeneemt, nemen de cellen volume aan van de oplossing om hen heen. Bij toeval, terwijl ze samensmelten, nemen sommige van deze megacellen kopieën op van de M. mycoides genoom.
Als ze ongeveer drie uur worden gelaten, zullen de cellen met meer dan één genoom zich delen, waardoor een mengsel van celtypen ontstaat. Ongeveer één op de 100.000 cellen heeft het getransplanteerde genoom, dat een antibioticumresistentiegen bevat. Wanneer de celoplossing wordt uitgestreken op platen die het antibioticum tetracycline bevatten, overleven alleen die met het getransplanteerde genoom. Hoewel ze aanvankelijk van een andere soort waren, M. mycoides genoom neemt het over om te creëren wat de onderzoekers een synthetische cel noemen.
De onderzoekers gaan deze technieken nu gebruiken om het genoom geleidelijk te verkleinen. Ze gebruiken momenteel software om nieuwe genomen te ontwerpen waarbij verschillende genen zijn verwijderd, en gebruiken vervolgens hun techniek om ze te synthetiseren en te transplanteren. In een experiment kunnen we enorm veel mogelijkheden testen, zegt Glass. Hierdoor kunnen ze in een kwestie van weken in plaats van jaren bepalen wat er gebeurt als bijvoorbeeld 10 genen in een bepaalde route op verschillende niveaus tot expressie worden gebracht of worden geëlimineerd.
Het ontwikkelen van deze technieken kostte ongeveer $ 30 tot $ 40 miljoen aan financiering, voornamelijk van het bedrijf Synthetic Genomics. De belangrijkste kosten van deze experimenten komen van de prijs van het synthetiseren van DNA, die kan dalen naarmate meer onderzoekers de belofte van dit soort experimenten zien. Andere groepen doen dit niet vanwege de kosten en omdat de methoden moeilijk waren, maar ik zou graag denken dat we de methoden eenvoudig maken, zegt Gibson. Professor aan de universiteit van Boston James Collins stemt toe. Naarmate de kosten dalen, zul je zien dat een aantal laboratoria op deze schaal beginnen te synthetiseren. Als deze techniek als nuttig wordt beschouwd, komen we er wel op de kosten.