211service.com
In de toekomst zullen we geen genomen bewerken - we zullen gewoon nieuwe afdrukken
Waarom het herontwerpen van de eenvoudige gist de volgende industriële revolutie zou kunnen inluiden. 16 februari 2018
NYU School of Medicine
Tenminste sinds dorstige Sumeriërs duizenden jaren geleden bier begonnen te brouwen, Homo sapiens heeft een hechte relatie gehad met Saccharomyces cerevisiae , de eencellige schimmel beter bekend als biergist. Door fermentatie waren mensen in staat een microscopisch kleine soort voor onze eigen doeleinden te gebruiken. Tegenwoordig produceren gistcellen ethanol en insuline en zijn ze het werkpaard van wetenschappelijke laboratoria.
Dat betekent niet S. cerevisiae kan niet verder worden verbeterd - tenminste niet als Jef Boeke zijn zin heeft. De directeur van het Institute for Systems Genetics aan de Langone Health van de New York University, Boeke, leidt een internationaal team van honderden dat zich toelegt op het synthetiseren van de 12,5 miljoen genetische letters die het genoom van een gistcel vormen.
In de praktijk betekent dit dat elk gistchromosoom - er zijn er 16 - geleidelijk moet worden vervangen door DNA dat is gefabriceerd op chemische synthesizers ter grootte van een fornuis. Ondertussen stroomlijnen Boeke en medewerkers van bijna een dozijn instellingen het gistgenoom en plaatsen ze achterdeurtjes zodat onderzoekers de genen naar believen kunnen schudden. Uiteindelijk zal de synthetische gist, Sc2.0 genaamd, volledig aanpasbaar zijn.
De komende 10 jaar gaat de synthetische biologie allerlei verbindingen en materialen maken met micro-organismen, zegt Boeke. We hopen dat onze gist daar een grote rol in gaat spelen.
Zie het project als zoiets als Henry Ford's eerste auto - met de hand gebouwd en, voor nu, uniek in zijn soort. Maar op een dag zullen we misschien routinematig genomen op computerschermen ontwerpen. In plaats van het DNA van een organisme te manipuleren of zelfs te bewerken, kan het eenvoudiger worden om gewoon een nieuwe kopie af te drukken. Stel je designeralgen voor die brandstof maken; ziektebestendige organen; zelfs uitgestorven soorten herrezen.
Jef Boeke leidt een poging om gist te maken met een door de mens gemaakt genoom. NYU School of Medicine
Ik denk dat dit groter kan zijn dan de ruimterevolutie of de computerrevolutie, zegt George Church, een genoomwetenschapper aan de Harvard Medical School.
Onderzoekers hebben eerder de genetische instructies gesynthetiseerd die virussen en bacteriën bedienen. Maar gistcellen zijn eukaryoot, wat betekent dat ze hun genomen in een kern opsluiten en ze bundelen in chromosomen, net zoals mensen dat doen. Hun genomen zijn ook veel groter.
Dat is een probleem, want het synthetiseren van DNA is nog lang niet zo goedkoop als het lezen ervan. Een menselijk genoom kan nu worden gesequenced voor $ 1.000, terwijl de kosten nog steeds dalen. Ter vergelijking: om elke DNA-letter in gist te vervangen, zal Boeke er $ 1,25 miljoen van moeten kopen. Voeg daar nog arbeid en computerkracht aan toe en de totale kosten van het project, dat al tien jaar aan de gang is, zijn aanzienlijk hoger.
Samen met onder meer Church is Boeke een leider van GP-write, een organisatie die pleit voor internationaal onderzoek om de kosten van het ontwerpen, ontwikkelen en testen van genomen het komende decennium met een factor duizend te verminderen. We hebben als soort op deze planeet met allerlei uitdagingen te maken, en biologie kan daar een enorme impact op hebben, zegt hij. Maar alleen als we de kosten kunnen drukken.
Onderkant boven
Een wetenschapper genaamd Ronald Davis van Stanford opperde voor het eerst de mogelijkheid om het gistgenoom te synthetiseren tijdens een conferentie in 2004, hoewel Boeke aanvankelijk het punt niet inzag. Waarom zou iemand dit willen doen? hij herinnert zich het denken.
Maar Boeke kwam op het idee dat het maken van een gistgenoom misschien wel de beste manier is om het organisme te begrijpen. Door elk onderdeel te vervangen, leer je misschien welke genen nodig zijn en zonder welke het organisme kan leven. Sommige teamleden noemen het idee bouwen om te begrijpen.
Het is een andere kijk op proberen te begrijpen hoe levende wezens werken, zegt Leslie Mitchell, een postdoctoraal onderzoeker in het NYU-lab en een van de belangrijkste ontwerpers van de synthetische gist. We leren welke hiaten in onze kennis er zijn in een genetische bottom-up benadering.
Joel Bader, een computerwetenschapper bij Johns Hopkins, heeft zich aangemeld om software te ontwikkelen waarmee wetenschappers de gistchromosomen op een scherm kunnen zien en versies kunnen bijhouden terwijl ze veranderen, zoals Google Docs voor biologie. En in 2008 lanceerde Boeke, om het DNA te maken, een niet-gegradueerde cursus bij Hopkins, genaamd Build a Genome. Studenten zouden elementaire moleculaire biologie leren, terwijl elk een doorlopend stuk van 10.000 DNA-letters verzamelde die naar het synthetische-gistproject zouden gaan. Later sloten zich verschillende instellingen in China aan om de werklast te verdelen, samen met medewerkers in Groot-Brittannië, Australië en Japan.
We wijzen chromosomen toe aan individuele teams, zoals het toewijzen van een hoofdstuk van een boek, en ze hebben de vrijheid om te beslissen hoe het te doen, zolang het 100 procent gebaseerd is op wat we ontwerpen, zegt Patrick Cai, een synthetisch bioloog aan de Universiteit van Manchester en de internationale coördinator van het gistproject.
Volgende stappen
Het kostte Boeke en zijn team acht jaar voordat ze hun eerste volledig kunstmatige gistchromosoom konden publiceren. Het project is sindsdien in een stroomversnelling geraakt. Afgelopen maart werden de volgende vijf synthetische gistchromosomen beschreven in een reeks artikelen in Wetenschap , en Boeke zegt dat alle 16 chromosomen nu voor minstens 80 procent klaar zijn. Deze inspanningen vertegenwoordigen de grootste hoeveelheid genetisch materiaal die ooit is gesynthetiseerd en vervolgens samengevoegd.
Het helpt dat het gistgenoom opmerkelijk veerkrachtig is gebleken tegen de visies en herzieningen van het team. Waarschijnlijk de grootste kop hier is dat je het genoom op veel verschillende manieren kunt martelen, en de gist lacht gewoon, zegt Boeke.
George Church van Harvard University spreekt op een bijeenkomst van genoomingenieurs.
Boeke en zijn collega's vervangen niet zomaar het natuurlijke gistgenoom door een synthetisch genoom (alleen een kopie ervan maken zou een stunt zijn, zegt Church). Door het hele DNA van het organisme hebben ze ook moleculaire openingen aangebracht, zoals de onzichtbare breuken in de stalen ringen van een goochelaar. Hiermee kunnen ze de gistchromosomen herschudden als een spel kaarten, zoals Cai het uitdrukt. Het systeem staat bekend als SCRaMbLE, voor synthetische chromosoomrecombinatie en modificatie door LoxP-gemedieerde evolutie.
Het resultaat is een snelle, door mensen aangestuurde evolutie: miljoenen nieuwe giststammen met verschillende eigenschappen kunnen in het laboratorium worden getest op fitheid en functie in toepassingen zoals, uiteindelijk, medicijnen en de industrie. Mitchell voorspelt dat Sc2.0 op termijn alle gewone gist in wetenschappelijke laboratoria zal verdringen.
De uiteindelijke erfenis van Boekes project kan worden bepaald door welk genoom vervolgens wordt gesynthetiseerd. De GP-schrijfgroep stelde zich oorspronkelijk voor dat het maken van een synthetisch menselijk genoom een grote uitdaging zou zijn. Sommige bio-ethici waren het daar niet mee eens en hadden scherpe kritiek op het plan. Boeke benadrukt dat de groep geen project gaat doen om een mens te maken met een synthetisch genoom. Dat betekent geen designermensen.
Afgezien van ethische overwegingen, is het synthetiseren van een volledig menselijk genoom - dat meer dan 250 keer groter is dan het gistgenoom - onpraktisch met de huidige methoden. De inspanning om de technologie vooruit te helpen, ontbreekt ook aan financiering. Het gistwerk van Boeke is gefinancierd door de National Science Foundation en door academische instellingen, waaronder partners in China, maar het grotere GP-write-initiatief heeft geen grote steun gekregen, behalve een initiële donatie van $ 250.000 van het computerontwerpbedrijf Autodesk. Vergelijk dat eens met het Human Genome Project, dat meer dan $ 3 miljard aan Amerikaanse financiering ontving.
Dit is een revolutie waar we niet achter willen lopen, zegt Church. Als de federale overheid en alle 50 staten dit niet willen, zullen we oogsten wat we zaaien. We zullen achterblijven.
Ondertussen gaat de arbeid door, basenpaar voor basenpaar. Tussen de tijdschriftomslagen en teamfoto's heeft Boeke een citaat op de deur van zijn kantoor, toegeschreven aan de geneticus Theodosius Dobzhansky: Niets in de biologie is logisch, behalve in het licht van evolutie. Welk groots project Sc2.0 ook opvolgt - misschien het genoom van een muis synthetiseren of varkens ontwikkelen om veilige organen voor menselijke transplantatie te ontwikkelen - het zullen steeds meer mensen zijn die die evolutie sturen. Als dat het geval is, wordt Sc2.0 misschien wel de op één na belangrijkste prestatie ooit met gist, na bier.