Επιστήμονες δημιούργησαν κύτταρο που αναπτύσσεται και διαιρείται κανονικά. Scientists Create Simple Synthetic Cell That Grows and Divides Normally

Νέα ευρήματα ρίχνουν φως στους μηχανισμούς που καθορίζουν τις θεμελιώδεις διαδικασίες της ζωής. New findings shed light on mechanisms controlling the most basic processes of life. Credit: Copyright Emily Grace

Πριν από πέντε χρόνια επιστήμονες δημιούργησαν έναν μονοκύτταρο συνθετικό οργανισμό που, με μόλις 473 γονίδια, ήταν το απλούστερο γνωστό ζωντανό κύτταρο. Ωστόσο ο οργανισμός αυτός συμπεριφερόταν περίεργα όταν αναπτυσσόταν και διαιρείτο, παράγοντας κύτταρα με πολλά διαφορετικά σχήματα και μεγέθη.

Researchers have designed and synthesized a minimal bacterial genome, containing only the genes necessary for life. This material relates to a paper that appeared in the March 25, 2016, issue of Science, published by AAAS. The paper, by C.A. Hutchison III at J. Craig Venter Institute in La Jolla, Calif., and colleagues was titled, "Design and synthesis of a minimal bacterial genome." Credit: C. Bickel / Science (2016)

Επιστήμονες ήταν σε θέση να εντοπίσουν επτά γονίδια που μπορούν να προστεθούν ώστε να «δαμάσουν» αυτή την «άτακτη» φύση του κυττάρου, κάνοντάς τα να χωρίζονται τακτικά σε ομοιόμορφα κομμάτια. Το επίτευγμα αυτό, μια συνεργασία μεταξύ του J. Craig Venter Institute (JCVI), του National Institute of Standards and Technology (NIST) και του ΜΙΤ Center for Bits and Atoms, περιγράφεται στο Cell.

O εντοπισμός αυτών των γονιδίων αποτελεί σημαντικό βήμα προς την κατεύθυνση της δημιουργίας συνθετικών κυττάρων που κάνουν χρήσιμα πράγματα: Τέτοια κύτταρα θα μπορούσαν να λειτουργούν σαν μικρά εργοστάσια που παράγουν φάρμακα, τρόφιμα και καύσιμα, που εντοπίζουν ασθένειες και παράγουν φάρμακα για την αντιμετώπισή τους ενώ ζουν μέσα στο σώμα και λειτουργούν σαν μικροσκοπικοί υπολογιστές.

Ωστόσο ο σχεδιασμός και η δημιουργία ενός κυττάρου που κάνει ακριβώς αυτό που θέλεις να κάνει είναι δύσκολη υπόθεση, οπότε είναι χρήσιμο να έχει κάποιος μια λίστα των απαραίτητων τμημάτων και να ξέρει πώς ταιριάζονται μεταξύ τους.

«Θέλουμε να κατανοήσουμε τους θεμελιώδεις κανόνες σχεδιασμού της ζωής» είπε η Ελίζαμπεθ Στριχάλσκι, μία εκ των συντελεστών της μελέτης και επικεφαλής του Cellular Engineering Group του NIST. «Αν αυτό το κύτταρο μπορεί να μας βοηθά να ανακαλύπτουμε και να κατανοούμε αυτούς τους κανόνες, τότε αρχίζουμε την πορεία μας».

Παρατήρηση από μικροσκόπιο κυττάρων JCVI-syn3A καθώς αναπτύσσονται και διαιρούνται. Η γραμμή κάτω δεξιά αντιστοιχεί σε 50 μm. A time-lapse video showing cells of the synthetic organism JCVI-syn3A growing and dividing under a light microscope, from a research collaboration between the J. Craig Venter Institute, the National Institute of Standards and Technology and the Massachusetts Institute of Technology Center for Bits and Atoms. The scale bar represents 50 micrometers. Credit: E. Strychalski/NIST and J. Pelletier/MIT

Επιστήμονες στο JCVI δημιούργησαν το πρώτο κύτταρο με συνθετικό γονιδίωμα το 2010. Δεν το έφτιαξαν εξαρχής από το μηδέν, μα άρχισαν με κύτταρα από ένα απλό είδος βακτηρίου ονόματι μυκόπλασμα. Κατέστρεψαν το DNA σε αυτά τα κύτταρα και το αντικατέστησαν με DNA που ήταν σχεδιασμένο σε υπολογιστή και είχε συντεθεί σε εργαστήριο. Αυτός ήταν ο πρώτος οργανισμός στην ιστορία της ζωής στη Γη που είχε ένα εντελώς συνθετικό γονιδίωμα, και ονομάστηκε JCV1-syn1.0.

Έκτοτε προσπαθούν να αποσυνθέσουν τον οργανισμό αυτόν στα μίνιμουμ γενετικά του τμήματα, ωστόσο το κύτταρο που δημιούργησαν πέντε χρόνια πριν, το JCVI-syn3.0, ήταν πολύ «μινιμάλ». Οπότε πρόσθεσαν 19 γονίδια, μεταξύ των οποίων τα επτά που χρειάζονταν για κανονική διαίρεση κυττάρου, δημιουργώντας τη νέα παραλλαγή, JCVI-syn3A. Η παραλλαγή αυτή έχει λιγότερα από 500 γονίδια: Συγκριτικά, τα βακτήρια E.coli έχουν περίπου 4.000, ενώ ένα ανθρώπινο κύτταρο 30.000.

These are time lapse videos of the minimal cell (JCVI-syn3.0) and the wild type organism from which it was designed (JCVI-syn1.0). Magnified 1500X, this shows the growth of the bacteria over an 8-hour period. The videos show the minimal cells are larger than the organism they were designed from, and grow at about the same rate. Micrographs provided by James Pelletier (MIT Center for Bits and Atoms and Department of Physics) and Elizabeth Strychalski (National Institute of Standards and Technology). Credit: J. Craig Venter Institute

Εν τέλει, οι επιστήμονες δημιούργησαν ένα «μίνι ενυδρείο» όπου τα κύτταρα μπορούσαν να τρέφονται και να ζουν κάτω από ένα μικροσκόπιο- και το αποτέλεσμα ήταν ένα βίντεο που έδειξε τα κύτταρα να μεγαλώνουν και να διαιρούνται. Όλα αυτά τα κύτταρα ήταν γενετικά όμοια.

«Σκοπός μας είναι να γνωρίζουμε τη λειτουργία του κάθε γονιδίου, ώστε να μπορέσουμε να αναπτύξουμε ένα πλήρες μοντέλο ως προς το πώς λειτουργεί ένα κύτταρο» είπε άλλος ένας εκ των ερευνητών, ο Τζέιμς Πελετιέ. Ωστόσο ο στόχος αυτός δεν έχε επιτευχθεί ακόμα, καθώς από τα επτά γονίδια που προστέθηκαν σε αυτόν τον οργανισμό για κανονική διαίρεση, οι επιστήμονες ξέρουν μόνο τι κάνουν τα δύο από αυτά. Οι ρόλοι που παίζουν τα άλλα πέντε παραμένουν άγνωστοι.

Πηγές: J.F. Pelletier, L. Sun, K.S. Wise, N. Assad-Garcia, B.J. Karas, T.J. Deerinck, M.H. Ellisman, A. Mershin, N. Gershenfeld, R.Y. Chuang, J.I. Glass and E.A. Strychalski. Genetic requirements for cell division in a genomically minimal cell. Cell. Published online March 29, 2021. DOI: 10.1016/j.cell.2021.03.008 - https://www.nist.gov/news-events/news/2021/03/scientists-create-simple-synthetic-cell-grows-and-divides-normally - https://www.naftemporiki.gr/story/1708739/sunthetiki-zoi-epistimones-dimiourgisan-kuttaro-pou-anaptussetai-kai-diaireitai-kanonika