Οι επιστήμονες αναπτύσσουν σούπερ βακτήρια που είναι ξένα για όλη τη ζωή στη Γη

Ένα εφιαλτικό σενάριο κρατά τους συνθετικούς βιολόγους ξύπνιους τη νύχτα. Ένα στέλεχος βακτηρίων με εκτενώς αναθεωρημένο γενετικό κώδικα διαρρέει από το εργαστήριο. Μέρος του γενετικού μηχανισμού του μεταφέρεται σε έναν ανυποψίαστο ξενιστή – επιτρέποντάς του να επιλέξει το κύτταρο ξενιστή για αναπαραγωγή, ακόμα κι αν αυτό σημαίνει ότι βλάπτει τον ξενιστή.

Τα βακτήρια δεν σχεδιάστηκαν για να προκαλούν βλάβη. Αντίθετα, είχε τον γενετικό της μηχανισμό προσαρμοσμένο για να αντιστέκεται σε μόλυνση από επικίνδυνους ιούς. Τα υπερτροφοδοτούμενα βακτήρια θα μπορούσαν τώρα να αντλούν φάρμακα που σώζουν ζωές, όπως η ινσουλίνη, χωρίς ανησυχίες για μόλυνση.

Η πλοκή εδώ είναι εντελώς φανταστική. Αλλά απεικονίζει το δίκοπο μαχαίρι που έρχεται με την υπόσχεση της συνθετικής βιολογίας, η οποία βασίζεται σε μια γλώσσα γενετικού προγραμματισμού κοινή σχεδόν σε όλα τα ζωντανά πλάσματα.

Από τη μία πλευρά, η αεροπειρατεία και η επεξεργασία του υπάρχοντος γενετικού κώδικα μπορεί να δώσει ακόμη και στα πιο απλά κύτταρα νέες δυνατότητες, μετατρέποντάς τα σε εργοστάσια μικροϊατρικής ή κινητούς υπολογιστές.

Από την άλλη πλευρά, επειδή οι οργανισμοί μοιράζονται τον ίδιο παγκόσμιο κώδικα, είναι ευάλωτοι σε επιθέσεις από ιούς και άλλα παθογόνα – και μπορούν να μεταφέρουν τις νέες τους ικανότητες σε φυσικούς οργανισμούς, ακόμα κι αν τους σκοτώσει.

Γιατί να μην δημιουργήσετε ένα γενετικό τείχος προστασίας;

Μια πρόσφατη μελέτη στο Επιστήμη έκανε ακριβώς αυτό. Η ομάδα επανεπεξεργάστηκε εν μέρει τον υπάρχοντα γενετικό κώδικα σε έναν «κρυπτογράφηση» που οι φυσιολογικοί οργανισμοί δεν μπορούν να κατανοήσουν. Ομοίως, τα κατασκευασμένα βακτήρια έχασαν την ικανότητά τους να διαβάζουν τον φυσικό γενετικό κώδικα. Οι προσαρμογές σχημάτισαν ένα ισχυρό γλωσσικό φράγμα μεταξύ των κατασκευασμένων βακτηρίων και των φυσικών οργανισμών, απομονώνοντας το καθένα από το να μοιράζεται γενετικές πληροφορίες με το άλλο.

Μετάφραση? Τα κατασκευασμένα βακτήρια είναι πλέον ανθεκτικά ακόμη και στους πιο επιθετικούς ιούς, με λίγες πιθανότητες να διαρρεύσουν τον συνθετικό τους κώδικα στη φύση. Η διαδικασία, που ονομάζεται refactoring, θέτει αποτελεσματικά σε καραντίνα συνθετικούς οργανισμούς από τον φυσικό κόσμο.

«Δημιουργήσαμε μια μορφή ζωής που δεν διαβάζει τον κανονικό γενετικό κώδικα και γράφει τις γενετικές της πληροφορίες με μια μορφή που δεν μπορεί να διαβαστεί», δήλωσε ο Δρ Jason Chin του Εργαστηρίου Μοριακής Βιολογίας του Ιατρικού Ερευνητικού Συμβουλίου στο Κέμπριτζ, ο οποίος ηγήθηκε της μελέτη.

Να γράφω για τη ζωή

Η γλώσσα της ζωής είναι εκπληκτικά απλή. Έχουμε τέσσερα γράμματα DNA – A, T, C και G. Για να επηρεάσουν τα γονίδια τη ζωή, πρέπει να μεταφραστούν σε πρωτεΐνες, οι οποίες αποτελούνται από 20 διαφορετικά αμινοξέα.

Υπάρχει μια ολόκληρη διαδικασία κυτταρικής κατασκευής για να συμβεί αυτό. Σκεφτείτε έναν κλώνο DNA σαν μια κασέτα τυλιγμένη γύρω από ένα καρούλι. Έρχεται ένας αγγελιοφόρος – mRNA – που αντιγράφει το γενετικό μήνυμα (όπως η δημιουργία μιας ταινίας μίξης) και το μεταφέρει στο εργοστάσιο παραγωγής πρωτεϊνών μέσα στο κύτταρο.

Εδώ, μια μυριάδα διαφορετικών εργαζομένων μεταφράζουν τον γενετικό κώδικα σε αμινοξέα. Η ουσία είναι ο κανόνας τριών: τρία γράμματα DNA ομαδοποιημένα ως κωδικόνιο ίσο με ένα αμινοξύ. Τα μόρια μεταφορείς, που εύστοχα ονομάζονται tRNA, διαβάζουν στη συνέχεια τον κώδικα – για παράδειγμα, TCG – και αρπάζουν το αντίστοιχο αμινοξύ. Ξεπλύνετε και επαναλάβετε, και τελικά το κύτταρο κάνει μια μακρά αλυσίδα πρωτεϊνών έτοιμη για περαιτέρω επεξεργασία στην τελική τρισδιάστατη δομή του.

Αλλά εδώ είναι το θέμα. Τα γράμματα του DNA σχηματίζουν 64 διαφορετικά κωδικόνια – αλλά έχουμε μόνο 20 αμινοξέα. Κάτι δεν πάει καλά.

Ο λόγος είναι ότι ο γενετικός μας κώδικας είναι περιττός. Για παράδειγμα, τα κωδικόνια TCG, TCA, AGC και AGT κωδικοποιούν όλα το ίδιο αμινοξύ. Μπορούμε να απλοποιήσουμε τον γενετικό κώδικα και να ελευθερώσουμε «επιπλέον» κωδικόνια για άλλες πρωτεΐνες;

Το 2021, η ομάδα του Chin έδειξε ότι η απάντηση είναι ναι. Σε μια τεχνολογική περιήγηση, η ομάδα του ξανάγραψε πάνω από 18.000 κωδικόνια στο E coli βακτήρια – ένα άλογο εργασίας για τη βιοτεχνολογία και την έρευνα – και έδειξε τη νέα μορφή ζωής να ζει και να μοιράζεται χαρούμενα, αλλά με πρόσφατα απελευθερωμένα κωδικόνια έτοιμα για προγραμματισμό. Στη συνέχεια, η ομάδα καθάρισε το σπίτι, αφαιρώντας tRNA που προηγουμένως «διάβαζαν» τα πλέον ανενεργά κωδικόνια.

Σε αρκετές δοκιμές, το υπερδύναμο στέλεχος, που ονομάζεται Syn61.Δ3(ev5), καταπολέμησε μυριάδες ιούς που πρέπει να κατακτήσουν τον γενετικό μηχανισμό του κυττάρου για να αναπαραχθούν. Επειδή το κύτταρο δεν μπορούσε να διαβάσει τον τυπικό γενετικό κώδικα των ιών, δεν ήταν πλέον ευαίσθητο στους εισβολείς.

Ή έτσι νόμιζαν.

Νέοι κανόνες

Σε μια πρόσφατη προέκδοση, οι συνθετικοί βιολόγοι Δρ. George Church και Akos Nyerges του Πανεπιστημίου του Χάρβαρντ ανακάλυψαν ότι το Syn61.Δ3 δεν είναι τόσο ανίκητο όσο αρχικά εμφανίστηκε.

Κάνοντας ντους στα βακτήρια με ιούς που απομονώθηκαν από διάφορες πηγές – κοπριά χοίρων και υπολείμματα από ένα κοτέτσι – βρήκαν περίπου δώδεκα ιούς που θα μπορούσαν ακόμα να διεισδύσουν στη γενετική άμυνα των βακτηρίων.

Γιατί; Μια ομάδα ύπουλων υπόπτων είναι κινητά γενετικά στοιχεία – πιο γνωστά ως «εγωιστικά γονίδια». Αυτά τα άλματα γενετικού κώδικα μπορεί να προέρχονται από ιούς και βακτήρια και είναι επίσης ενσωματωμένα στο δικό μας γονιδίωμα.

Επειδή είναι κώδικας DNA, αυτά τα στοιχεία μπορούν να κωδικοποιήσουν τα tRNA μέσα σε ένα κύτταρο. Εάν ένας ιός περιέχει αυτά τα εγωιστικά γονίδια, μπορεί να ανοίξει μια βιολογική «κερκόπορτα» για να μολύνει ένα ανθεκτικό στον ιό κύτταρο όπως το Syn61.Δ3, συμπληρώνοντας την έλλειψη κατάλληλων tRNA με το δικό του αντίγραφο για αντιγραφή. Αυτή η ικανότητα καθιστά “ένα τείχος προστασίας που βασίζεται σε γενετικό κώδικα αναποτελεσματικό”, εξήγησαν ο Nyerges και οι συνεργάτες του.

Ο Τσιν συμφωνεί. Στη νέα εργασία, ακολούθησε μια διαφορετική στρατηγική – σαμποτάροντας ενεργά την παροχή του αμινοξέος σερίνης, αντί να το αντικαταστήσει με εναλλακτικές. Είναι σαν να βρίσκεις και να αντικαθιστάς το γράμμα “s” σε ένα βιβλίο και να το αλλάζεις σε “p” ή “a”. Το αποτέλεσμα είναι εντελώς αδιάβαστο για ένα κανονικό κύτταρο, αλλά ανοίγει έναν κόσμο δυνατοτήτων για ένα κατασκευασμένο.

Συνολικά, «μπορούμε ανεξάρτητα να εκχωρήσουμε» δύο κωδικόνια σε τέσσερα διαφορετικά αμινοξέα, είπαν οι συγγραφείς, δημιουργώντας 16 νέους γενετικούς κώδικες. Για να βοηθήσει το κύτταρο να διαβάσει τον νέο κώδικα, η ομάδα προγραμμάτισε επίσης μια σειρά από tRNA που βοηθούν στην ανακατεύθυνση της κυκλοφορίας αμινοξέων. Αυτά τα κατασκευασμένα tRNA μπορούν να ξεπεράσουν τον φυσικό γενετικό κώδικα, αντ’ αυτού παρέχοντας το προγραμματισμένο αμινοξύ – αντί για το φυσικά σωστό – για την κατασκευή μιας πρωτεΐνης.

Γενετικό εμπόδιο

Αυτές οι γενετικές τροποποιήσεις κάνουν το βακτηριακό στέλεχος Syn61.Δ3 ακόμη πιο ξένο. Ουσιαστικά, τώρα έχει έναν γενετικό κώδικα που βασίζεται – αλλά διαφέρει σε μεγάλο βαθμό από – αυτόν οποιουδήποτε ζωντανού πλάσματος.

Η αναβάθμιση έρχεται με μεγάλα οφέλη. Τα βακτήρια είναι συνήθως εξαιρετικά ομιλητικοί τύποι, που μοιράζονται εύκολα το γενετικό τους υλικό. Η διαδικασία, που ονομάζεται οριζόντια μεταφορά, είναι ένας τρομερός πονοκέφαλος για τους συνθετικούς βιολόγους, καθώς τα γενετικά τους γενετικά στοιχεία θα μπορούσαν θεωρητικά να διαφύγουν στη φύση.

Ωστόσο, το νέο υπερστέλεχος δεν μπορούσε ούτε να μοιραστεί ούτε να αποκωδικοποιήσει φυσιολογικά γονίδια από φυσικά βακτήρια. Σε πειράματα με κινητά γενετικά στοιχεία -τα «εγωιστικά γονίδια» που είναι γνωστό ότι εξαπλώνονται εύκολα- φυσικά και κατασκευασμένα κύτταρα δεν μπορούσαν να μεταδώσουν τον γενετικό κώδικα. Κατά μία έννοια, η ομάδα είχε προγραμματίσει μια νέα γενετική γλώσσα στο συνθετικό στέλεχος, διακόπτοντας την επικοινωνία με τους φυσικούς οργανισμούς.

Οι επεξεργασίες έκαναν επίσης το νέο στέλεχος ανίκητο στους ιούς. Εδώ, η ομάδα πρώτα σάρωσε το River Cam στο Cambridge για ιούς που μπορούν να αποφύγουν τη γενετική προστασία του αρχικού στελέχους. Δύο στελέχη ήταν ιδιαίτερα μοχθηρά, έχοντας τα δικά τους tRNA που μπορούν να ξεπεράσουν την προηγούμενη γενετική προστασία στα κύτταρα.

Η προσθήκη μόνο μιας συνθετικής έκδοσης αυτών των ιικών tRNA επέτρεψε σε κατά τα άλλα μη μολυσματικούς ιούς να εισβάλουν στο Syn61.Δ3, είπαν οι συγγραφείς. Αλλά το νέο στέλεχος ήταν εντελώς ανοσιακό σε μυριάδες ιούς και έκλεισε εύκολα τα εγωιστικά γονίδια.

Ο Chin δεν είναι η μόνη ομάδα που ενδιαφέρεται να κατασκευάσει το επόμενο αήττητο κύτταρο. Στην προεκτύπωσή τους, ο Nyerges και ο Church χρησιμοποίησαν μια παρόμοια στρατηγική για να επανακωδικοποιήσουν το Syn61.Δ3 έτσι ώστε η σερίνη να αντικατασταθεί με άλλο αμινοξύ. Σε προκαταρκτικές δοκιμές, η φυλή τους ήταν σε θέση να καταπολεμήσει μια ντουζίνα ιούς που κατέκλυσαν την αρχική φυλή.

Η αντίσταση στους ιούς είναι μόνο το πρώτο βήμα της γενετικής αναμόρφωσης. Οι επιστήμονες πίστευαν από καιρό ότι η διαδικασία θα μπορούσε να δημιουργήσει οργανισμούς με νέα χαρακτηριστικά, είπαν ο Chin και οι συνεργάτες του. “Οι στρατηγικές που περιγράψαμε θα πρέπει να είναι γενικά εφαρμόσιμες σε οποιοδήποτε γονίδιο ή γενετικό σύστημα που προστίθεται στον συνθετικό οργανισμό… αναμένουμε ότι οι αρχές που έχουμε θεσπίσει μπορούν να εφαρμοστούν σε ένα ευρύ φάσμα οργανισμών.”

Πίστωση εικόνας: Εθνικό Ινστιτούτο Αλλεργίας και Λοιμωδών Νοσημάτων, Εθνικά Ινστιτούτα Υγείας

Leave a Comment