Ο πρώτος ζωντανός οργανισμός με επανακωδικοποιημένο γονιδίωμα. Scientists Created Bacteria With a Synthetic Genome. Is This Artificial Life?

Oλική σύνθεση του Escherichia coli με ένα επανακωδικοποιημένο γονιδίωμα. Πρέπει να θεωρηθεί ως τεχνητή ζωή ή όχι; In a milestone for synthetic biology, colonies of E. coli thrive with DNA constructed from scratch by humans, not nature. Syn61, the E. coli bacteria with a "recoded" genome, growing on an agar plate. Credit: WESLEY E. ROBERTSON

Επιστήμονες στη Βρετανία δημιούργησαν στο εργαστήριο, με τη βοήθεια υπολογιστή, τον πρώτο έμβιο μικροοργανισμό με την ονομασία Syn61, του οποίου το DNA είναι πλήρως ανασχεδιασμένο από τους ανθρώπους. Το επίτευγμα χαρακτηρίσθηκε ορόσημο στο πεδίο της συνθετικής βιολογίας και εγείρει το ερώτημα κατά πόσο το εν λόγω βακτήριο πρέπει να θεωρηθεί τεχνητή ζωή ή όχι.

Fig. 1: Design of the synthetic genome, implementing a defined recoding scheme for synonymous codon compression.

Η γενετική πληροφορία είναι καταγεγραμμένη στα νουκλεϊνικά οξέα στη γλώσσα των τεσσάρων αζωτούχων βάσεων που συμβολίζονται με τα γράμματα Α=αδενίνη, Τ=θυμίνη, G=γουανίνη, C=κυτοσίνη για το DNA και τα ίδια για το RNA, μόνο που αντί της T έχουμε την U=την ουρακίλη. Τα νουκλεϊνικά οξέα συνίστανται από τα νουκλεοτίδια τα οποία χαρακτηρίζονται από την αζωτούχα βάση που περιέχουν. Η σύνθεση του mRNA (το μόριο που μεταφέρει την γενετική πληροφορία σύνθεσης των πρωτεϊνών στα ριβοσώματα), καθορίζεται από την αλληλουχία των παραπάνω βάσεων στο μόριο του DNA. Στην διαδικασία αυτή που ονομάζεται μεταγραφή δεν έχουμε προβλήματα κωδικοποίησης, αφού κάθε βάση του DNA αντιστοιχεί σε μια συμπληρωματική της στο mRNA.

Όμως κατά την σύνθεση των πρωτεϊνών (μετάφραση) έχουμε το εξής πρόβλημα: οι διαφορετικές αζωτούχες βάσεις είναι τέσσερις, ενώ τα διαφορετικά αμινοξέα που συνθέτουν τις πρωτεΐνες είναι είκοσι. Συνεπώς δεν γίνεται ένα νουκλεοτίδιο να κωδικοποιεί ένα αμινοξύ.

Έτσι, ο γενετικός κώδικας, το λεξικό δηλαδή με βάση το οποίο μεταφράζεται η γενετική πληροφορία, είναι τριαδικός. Μια τριάδα νουκλεοτιδίων (κωδικόνιο), χαρακτηρίζεται από μια τριάδα αζωτούχων βάσεων και κωδικοποιεί ένα αμινοξύ.

Από τα εξήντα τέσσερα διαφορετικά κωδικόνια: τα τρία από αυτά δεν κωδικοποιούν κανένα αμινοξύ και λειτουργούν ως σήματα λήξης της μετάφρασης.

Όλα τα αμινοξέα, εκτός από δύο, κωδικοποιούνται από περισσότερα του ενός κωδικόνια (τα συνώνυμα κωδικόνια). Αυτή η αλληλοεπικάλυψη δεν έχει εξηγηθεί μέχρι σήμερα.

Είναι λοιπόν όλα τα κωδικόνια ουσιώδη για τη ζωή;

A colored scanning electron micrograph of the bacteria E. coli. Scientists in Britain created bacteria with “recoded” DNA. Credit: Nano Creative/Science Source

Ο μικροοργανισμός Syn61δημιουργήθηκε (και) για να δοθεί μια απάντηση στο ερώτημα αυτό.

Μετά από μερικά προκαταρτικά πειράματα, οι ερευνητές του Πανεπιστημίου του Κέιμπριτζ, με επικεφαλής τον μοριακό βιολόγο Τζέησον Τσιν, σχεδίασαν μια τροποποιημένη μορφή του γονιδιώματος του Ε. coli που απαιτούσε 61 κωδικόνια. Ο νέος οργανισμός χρησιμοποιεί τα 59 κωδικόνια για να κωδικοποιήσει όλα τα αμινοξέα που χρειάζεται ο οργανισμός.  Για παράδειγμα, αντί τα 6 κωδικόνια να παράγουν το ίδιο αμινοξύ, την σερίνη, στο νέο γονιδίωμα χρησιμοποιούνται μόνο 4.

Το συνθετικό DNA δημιουργήθηκε στο εργαστήριο και μετά εισήχθη σταδιακά στο βακτήριο E.coli, αντικαθιστώντας τελικά πλήρως τα φυσικά γονίδια με συνθετικά. Το πλήρως ανασχεδιασμένο βακτήριο επέζησε. Οι αποικίες των εν λόγω συνθετικών βακτηρίων είναι ζωντανές και αναπτύσσονται, αν και έχουν ασυνήθιστο σχήμα και αναπαράγονται πιο αργά από ό,τι συνήθως.

Τα κύτταρα τους λειτουργούν με νέους βιολογικούς κανόνες, παράγοντας γνωστές πρωτεΐνες αλλά με ανθρωπογενή γενετικό κώδικα. Το επίτευγμα μπορεί μια μέρα να οδηγήσει σε συνθετικούς οργανισμούς που, σαν «ζωντανά εργοστάσια», θα παράγουν νέου τύπου φάρμακα ή άλλα πολύτιμα μόρια. Η σχετική δημοσίευση έγινε στο «Nature».

A colored scanning electronic micrograph of synthesized Mycoplasma mycoides, bacteria with a genome containing one million base pairs. Now scientists have created an E.coli genome four times larger. Credit: Thomas Deerinck, NCMIR/Science Source

Το 2010 επιστήμονες στις ΗΠΑ δημιούργησαν το πρώτο εν μέρει συνθετικό γονιδίωμα ενός μικροοργανισμού (Mycoplasma mycoides), που διέθετε ένα εκατομμύριο βάσεις (τα «γράμματα» του γενετικού αλφαβήτου), δηλαδή τα μόρια αδενίνη, θυμίνη, γουανίνη και κυτοσίνη (A, T, G, C). Το νέο κατά 100% ανασχεδιασμένο συνθετικό γονιδίωμα διαθέτει τέσσερα εκατομμύρια βάσεις και η εκτύπωση του καταλαμβάνει 970 σελίδες Α4.

Πηγές: Julius Fredens et al. Total synthesis of Escherichia coli with a recoded genome, Nature (2019). DOI: 10.1038/s41586-019-1192-5 - https://www.nytimes.com/2019/05/15/science/synthetic-genome-bacteria.html - http://www.kathimerini.gr/1024211/article/epikairothta/episthmh/dhmioyrgh8hke-o-prwtos-emvios-syn8etikos-mikroorganismos-me-dna-kata-100-anasxediasmeno-apo-toys-an8rwpoys