Unbesiegbar für alle Viren mit CRISPRWissenschaftler, die den neuen „Superkäfer“ erschaffen haben
Ist es möglich, das bestehende Leben frei umzuprogrammieren?
Für synthetische Biologen lautet die Antwort „Ja“. Der zentrale Code der Biologie ist einfach. Die in drei Gruppen unterteilten DNA-Buchstaben werden in Aminosäuren umgewandelt und zu Blöcken, aus denen Proteine hergestellt werden. Proteine bauen unseren Körper auf, regulieren den Stoffwechsel und funktionieren als lebende Organismen. Sie können beispielsweise Bakterien dazu bringen, lebensrettende Medikamente wie Insulin abzusondern.
Alle lebenden Organismen auf der Erde folgen der Regel, dass eine Kombination von 64 DNA-Triplettcodes (Codons) in 20 Aminosäuren übersetzt wird.Aber warte. Es passt nicht zur Berechnung. Warum können 64 Codons nicht 64 Aminosäuren bilden? Der Grund ist „Redundanz“. Das Leben hat sich so entwickelt, dass mehrere Codons dieselbe Aminosäure bilden.
Warum also nicht die redundanten „zusätzlichen“ Codons nutzen, die Organismen haben, und stattdessen Ihren eigenen Code einfügen?
Genau das hat kürzlich ein Forscherteam der University of Cambridge getan. Unter Verwendung der Tour de Force CRISPR -Technologie ersetzte das Forschungsteam mehr als 18.000 Codons durch synthetische Aminosäuren, die in der Natur nicht vorkommen. Das Ergebnis ist ein Bakterium, das gegen alle Virusinfektionen im Wesentlichen resistent ist, da ihm das normale Protein „Türklinke“ fehlt, das Viren benötigen, um Zellen zu infizieren .
Dies liegt daran, dass es kein Protein namens „Türklinke“ gibt, das das Virus benötigt, um Zellen zu infizieren. Bisher ist es Wissenschaftlern nur gelungen, eine einzige Designer-Aminosäure in den Körper einzubauen. In dieser Studie war es möglich, bestehende Codons auf einmal zu hacken und gleichzeitig mindestens drei synthetische Aminosäuren zu kopieren. Wenn wir 3 von 20 synthetischen Aminosäuren kopieren können, können wir das Leben auf der Erde radikal umschreiben.
Dr. Delilah Jewel und Dr. Abishek Chatterzy vom Boston College, die nicht an dieser Studie teilgenommen haben, sagten: „Wenn einige Codons freigesetzt und neu zugewiesen werden, wird die Robustheit und Vielseitigkeit der Technologie zur Erweiterung des genetischen Codes verbessert Tu es. “ „Diese Studie macht diesen Traum zu einer eleganten Realität“, sagte er.
DNA-Code hacken
Unser genetischer Code unterstützt Leben, Vererbung und Evolution. Aber es funktioniert nur mit Hilfe von Proteinen.
Das Programm, das das Vier-Buchstaben-DNA-Gen in die Bestandteile des wirklichen Lebens umwandelt, stützt sich auf eine vollständige intrazelluläre Entschlüsselungsanlage.
Stellen Sie sich die Buchstaben A, T, C und G in der DNA als einen Geheimcode vor, der auf ein langes, zerknittertes Stück Papier geschrieben ist, das um ein Nadelkissen gewickelt ist. Die Gruppe aus drei „Buchstaben“, den Codons, bildet den Kern und kodiert, welche Aminosäuren eine Zelle herstellt. Das Botenmolekül (mRNA), eine spionähnliche Einheit, kopiert heimlich die Botschaft der DNA und kehrt in die Zellwelt zurück, um die Botschaft an die Proteinfabrik, die zentrale Intelligenz der Zelle, zu übermitteln.Die Fabrik beschäftigt mehrere „Übersetzer“, um den genetischen Code in Aminosäuren zu entschlüsseln. Dieser Übersetzer wurde tRNA genannt . Die Buchstaben der tRNA sind in drei Gruppen gruppiert, und der Übersetzer, tRNA , transportiert die relevanten Aminosäuren eine nach der anderen physisch zur Proteinfabrik, die schließlich eine Kette erzeugt, die zu einem 3D-Protein wird.
Wie bei robustem Code ist jedoch in der Natur Redundanz in den Prozess der Übersetzung von DNA in Protein einprogrammiert. Beispielsweise codieren die DNA-Codes TCG, TCA, AGC und AGT alle eine Aminosäure, Serin. Obwohl biologisch erfolgreich, fragten sich die Autoren, ob dieser Code verwendet werden könnte, um synthetische Aminosäuren zu entführen und zu verwenden, um die Richtung des Lebens zu ändern.
Entführen Sie den natürlichen Code
In dieser Studie sehen wir natürliche Redundanz als eine Möglichkeit, neue Fähigkeiten in Zellen einzuführen.
„Ist es nicht möglich, Codons zu erzeugen, die andere Monomere (Aminosäuren) frei bilden können, indem man die Anzahl der Codons reduziert, die eine Aminosäure codieren?“, fragt Hauptautor Dr.
Wenn beispielsweise TCG für Serin kodiert, warum nicht andere Monomere wie TCA, AGC und AGT frei verfügbar machen?
Das ist theoretisch eine großartige Idee, aber tatsächlich ist es eine entmutigende Aufgabe. Mit anderen Worten, das Forschungsteam muss in die Zelle hineingehen und die Codons, die es umprogrammieren möchte, eines nach dem anderen ersetzen. Vor einigen Jahren zeigte die gleiche Gruppe, dass dies mit E. coli möglich ist, einem beliebten Käfer in Labors und Pharmaunternehmen. Damals synthetisierte das Forschungsteam das gesamte Genom von E. coli von Grund auf neu und machte damit einen astronomischen Sprung in der synthetischen Biologie. Wir modifizierten auch das natürliche Genom, indem wir einige Aminosäurecodons durch Synonyme ersetzten, wie z. B. das Ersetzen von TCG durch AGC. Trotz dieser Veränderungen konnten sich die Bakterien leicht vermehren.
Es ist, als würde man ein sehr langes Buch lesen und darüber nachdenken, welche Wörter man durch Synonyme ersetzen könnte, ohne die Bedeutung des Satzes zu ändern, was das Überleben der Bakterien nicht beeinträchtigen würde. Zum Beispiel machte es das Entfernen des Proteins namens „Release Factor 1“ einfacher, das UAG-Codon mit einer brandneuen Aminosäure neu zu programmieren. Dies soll die Zuordnung neuer Aminosäuren zu UAG-Codons erleichtern. Frühere Studien haben gezeigt, dass diese Methode natürlichen Codons neue Komponenten zuordnen kann. Mit anderen Worten, es ist nur ein „leeres“ Codon, das nicht natürlich codiert ist.
Synthetische Biologie
Chins Team ging noch einen Schritt weiter.
Das Forschungsteam hat eine Methode namens REXER (Replicon Excision for Enhanced Genome Engineering Through Programmed Recombination) entwickelt. Es ist ein Akronym für Wissenschaftler, darunter CRISPR-Cas9 , ein hochmodernes Werkzeug zur Genbearbeitung . Mit CRISPR haben wir den größten Teil des E. coli-Genoms von Grund auf in einem Reagenzglas präzise ausgeschnitten und die mehr als 18.000 „zusätzlichen“ Codons, die für Serin kodieren, durch synonyme Codons ersetzt. Da dieser Trick nur auf redundante Proteincodes abzielt, konnten Zellen ihrer normalen Arbeit nachgehen und sogar Serin herstellen, wurden aber von mehreren natürlichen Codons befreit. Es ist, als würde man „hi“ durch „oy“ ersetzen, und „hi“ kann eine ganz andere Bedeutung haben. Anschließend räumte das Forschungsteam auf. Wir haben den natürlichen Translator (tRNA) entfernt, der die ausgestorbenen Codons lesen kann, ohne die Zellen zu schädigen. Anschließend führte er eine neue synthetische Version der tRNA ein, um das neue Codon abzulesen. Auf diese Weise produzierte Bakterien haben sich natürlich entwickelt, um in Reagenzgläsern schneller zu wachsen. * Haben sich die schwarzäugigen Babys entwickelt, um in transhumanen Experimenten schneller zu wachsen? Liegt es nicht daran, dass die Wissenschaftler, die die Ergebnisse dieser Experimente wollen, diejenigen sind, die viele Bakterien in ihren Impfstoffen haben?
Das Ergebnis war spektakulär. Der superstarke Stamm Syn61.Δ3 (ev5) ist im Grunde ein bakterielles X-MEN, das schnell wächst und resistent gegen Cocktails verschiedener Viren ist, die normalerweise Bakterien infizieren.
„In der Welt der Biologie wird derselbe genetische Code aus 64 Codons und 20 Aminosäuren verwendet, also verwenden Viren denselben Code. Bakterienzellen können den standardmäßigen genetischen Code in der Natur lesen. Weil sie es nicht konnten, konnte das Virus es nicht vermehren sich mit bakteriellen Maschinen, was bedeutet, dass die künstlichen Zellen resistent gegen die Übernahme durch fast jeden Vireneindringling sind .
„Diese Bakterien können zu erneuerbaren und programmierbaren Fabriken werden, die eine Vielzahl von Molekülen mit neuen Eigenschaften produzieren können, was zu Biotechnologie und Medizin führt, einschließlich der Entwicklung neuer Medikamente wie neuer Antibiotika. Kann helfen“, sagte Chin.
Abgesehen von Virusinfektionen schreibt diese Studie das Potenzial der synthetischen Biologie neu.
„Dies ermöglicht unzählige Anwendungen, wie zum Beispiel vollständig künstliche Biopolymere“, sagten Jewel und Chatterjee. Das heißt , es ist ein biologisch kompatibles Material, das den gesamten Bereich wie medizinische und Gehirn-Maschine-Schnittstellen verändern kann. Dem Forscherteam ist es gelungen, eine Art Molekül herzustellen, das die Grundlage von Medikamenten wie Krebsmedikamenten und Antibiotika bildet, indem es die Bausteine künstlicher Aminosäuren verbindet. Aber was am meisten erwartet wird, ist, dass es das bestehende Leben dramatisch umschreiben kann. Wie Bakterien arbeiten wir und alles Leben in der Biosphäre nach demselben biologischen Code. Diese Studie zeigt, dass die Hürde von nur 20 Aminosäuren, die die Bestandteile des Lebens sind, durch die Nutzung natürlicher menschlicher biologischer Prozesse überwunden werden kann.
Die Forscher denken dann darüber nach, den natürlichen biologischen Code des Menschen weiter umzuprogrammieren, um mehr synthetische Proteinkomponenten in Bakterienzellen zu codieren. Wir werden uns auch andere Zellen ansehen, etwa Säugetierzellen, um zu sehen, ob es möglich ist, den genetischen Code zu komprimieren.
