Verrückte Wissenschaftler synthetische Bakterien mit nur 473 Gene erstellt

Siehe syn3.0, eine synthetische bakteriellen Genoms, die kleiner ist als alles, was in der Natur gefunden. Biologen hoffen, dass es wird unser Verständnis der Grundlagen des Lebens und die Schaffung von neuen synthetisches Leben.

JCVI-syn3.0 (oder nur syn3.0 für kurze) genannt, wurde das neue Genom entworfen und gebaut von Forschern aus Synthetic Genomics und J. Craig Venter Institute. Es ist bekannt als ein "radikal minimalistischen" Genom, weil es nur 473 Gene hat — die Mindestzahl für diese bakterielle Zelle benötigt um die grundlegendsten Funktionen des Lebens, einschließlich der Reproduktion zu erhalten. Die Details für diese außerordentliche Leistung finden Sie jetzt in der neuesten Ausgabe von Science.

Es klingt wie ein seltsames Unterfangen, aber es gibt einige sehr gute Gründe für den Wunsch nach einer minimalen Genoms zu erstellen. Evolutionsbiologen werden es zum besseren Verständnis der Prozesse unter welchen komplexen Organismen entwickelte sich aus einfacheren zu studieren. Es könnte zu die Kernfunktionen des Lebens zu erforschen und zu wesentlichen Gene in den Zellen kategorisieren verwendet werden.

Es ist auch ein wichtiger Schritt in der im Entstehen begriffenen Bereich der synthetischen Biologie und der Bemühung, künstliche Organismen zu errichten. Forscher konnten dies als eine grundlegende Vorlage verwenden, um neuartige Organismen zu konstruieren, mit Funktionen, die nicht in der Natur, einschließlich Bakterien, die aus Kunststoff und giftigen Abfällen, Mikroorganismen Essen kann, die funktionieren wie Medikamente im Inneren des Körpers gesehen und Biokraftstoffe aus organischen Bestandteilen. Diese Arbeit könnten mehr konzeptionell Astrobiologen vorherzusagen, welche Arten von außerirdischen Lebensformen existieren vielleicht anderswo im Kosmos.

Dieses Projekt, unter der Leitung von synthetischen Biologe Craig Venter und Mikrobiologe Clyde Hutchison, stammt aus fast 20 Jahren, die erste Sequenzierung des bakteriellen Genoms. Damals begann Biologen, über eine hypothetische minimal Genom (HMG) für Zellen und anderen einfachen Organismen zu spekulieren. Im Jahr 1995 wurde vermutet, dass eine minimaler Bakterienzelle Genom 256 Gene bestehen würde. Venter und seine Freunde beschlossen, diese Annahme zu testen.

Wie erklärt Venter während einer Pressekonferenz gestern, "die einzige Möglichkeit, die minimalen Genoms zu verstehen ist, tatsächlich eine Genom zu synthetisieren." Vor sechs Jahren erreicht sein Team das Ziel, wenn es entworfen, konstruiert und eine selbstreplizierende, synthetische Bakterienzelle erzeugt, abgeleitet aus dem Bakterium Mycoplasma Mycoides (also technisch sprechen die synthetische Zelle nicht von Grund auf neu konzipiert wurde). Zur Zeit beschrieb Venter es als "die erste Spezies... seine Eltern haben ein Computer sein." Das Experiment war, dass Genome in einem Computer entworfen werden können dann chemisch im Labor erstellt und in eine Empfängerzelle verpflanzt, und dass diese Zellen ihre Fähigkeit zur Selbstreplikation behalten.

Der nächste Schritt war, M. Mycoides auf ihre wesentlichen Elemente zu analysieren. Venter dachte, es würde sein Team über ein Jahr, aber der Prozess erwies sich als unglaublich anstrengend, erfordert weitere vier Jahre als ursprünglich geplant werden. "Auch bei der Sequenz in der Hand, Entschlüsselung des Betriebssystems der Zelle eine gewaltige Aufgabe war", sagte Venter.

Schon früh konnte nicht in den Prozess jedes Design, so sie beschlossen, einen neuen Ansatz versuchen. Die Forscher konstruiert ihre synthetische Zelle aus acht genetische Segmente, von die jeder unabhängig innerhalb eines Genoms getestet werden konnte, die sieben Achtel abgeschlossen wurde.

Sie klassifiziert Gene als wesentlich, quasi ätherischen (d. h. Gene erforderlich für das Wachstum jedoch nicht unbedingt notwendig für das Leben), oder nicht benötigte, und sie Regeln zum Entfernen von Genen aus dem Genom-Design ohne störende Ausdruck der verbleibenden Gene festgelegt.

Die Forscher eingefügt um genetische Funktion absichtlich ausknocken, ausländische Gensequenzen, Transposons genannt. Dieser Prozess wurde wiederholt, bis keine weitere Gene gestört werden könnte, und das Genom, auf die kleinste Größe möglich beschnitten wurde.

Die Forscher kam schließlich mit einer neuen selbstreplizierende Zelle. Syn3.0 473 Gene 438 kodieren Proteine und 35 kommentierte RNAs kodieren. Sie konnten aus den Start insgesamt 428 Gene zu löschen. Das synthetische Genom ermangelt alle DNA-modifizierende und Einschränkungen Gene und auch Gene verantwortlich für die Codierung von Lipoproteinen (Proteine, die Fette oder anderen Lipiden im Blutplasma zu transportieren). Die Forscher erklärten, dass es eine "funktionierende Annäherung an eine minimale Zelle" ist mit einem Genom "kleiner als die einer beliebigen autonom replizierende Zelle in der Natur." Im Vergleich dazu hat das natürlich vorkommende Bakterium Mycoplasma Genitalium 525 Gene.

Während des Prozesses jedoch verursacht die Entfernung einiger Gene als "unwesentliche" unvorhergesehene Probleme. Bestimmte Gene musste im minimalen Genom, obwohl er keine bekannte oder offensichtliche Funktion beibehalten werden. Insgesamt konnten die Forscher nicht in der Lage zu bestimmen, die Funktion der 149 Gene, die fast ein Drittel des gesamten Genoms.

Basierend auf analoge Gene in anderen Organismen, vermuten die Forscher, dass diese Gene mit der Codierung von universal Proteinen zu tun haben. Aber sie sind nicht ganz sicher.

Dies erwies sich als eine eher Aha-Offenbarung, und die Forscher sagten, dass dies eine hohe Priorität für die nächste Phase des Projekts. Es zeigt auch, wie viel gibt es noch zu wissen über ganze-Genexpression und Design. Wie Venter es ausdrückte, "die nächsten Schritte werden nicht trivial sein."

Dieser Mangel an Verständnis zeigt, wie wichtig es ist, eine Genom-zentrierte Sicht auf die Grundlagen des Lebens, anstatt eine reduktionistische gen-spezifische Ansicht haben. "Das Leben ist mehr wie ein Orchester als Einzelspieler Piccolo," sagte Hutchison. "Manchmal nicht Sie Wesenheit entdecken, bis Sie ein zweites [gen] entfernen."

Zudem binden einige Gene unbekannter Funktion, mussten die Forscher auch eine beträchtliche Anzahl von quasi-wesentlichen Gene für ein robustes Wachstum benötigt, aber nicht für die Grundfunktionen des Lebens erforderlich sind. Technisch gesehen, das Genom könnte haben beraubt worden unten noch weiter, aber Zellwachstum so sorgfältig wie die Zelle unbrauchbar für wissenschaftliche Experimente machen langsam gewesen wäre. Dies zeigt, dass im Zuge der Miniaturisierung ein Kompromiss zwischen Größe und Wachstum Rate Genom ist.

Syn3.0 ist eine minimale Genom für M. Mycoides unter idealen Laborbedingungen. Aller Wahrscheinlichkeit nach würde es nicht überleben außerhalb des Labors. "Adaptive" Charakterzüge, die sie gehabt haben könnte wurden entfernt. Auch, hätte andere Bakterien zweifellos eine unterschiedliche minimale Genom, die physikalischen Eigenschaften und Umweltbedingungen abhängig ist. "Mindestens ein relativer Begriff, basierend auf Ihre Definition von Eigenschaften und Funktionen einer Zelle ist", sagte Venter. "Also wenn Sie eine Zelle [sagen] photosynthetische Eigenschaften haben wollen, werden ganz andere Gruppe von Genen, die Funktionen zu unterstützen."

Jedenfalls war der Sinn des Versuchs, eine Grundlinie Genom erstellen, mit denen Wissenschaftler Leben zu studieren und als "Chassis" zu verwenden für das Hinzufügen von neuen Gruppen von Genen. Syn3.0 ist in der Theorie lässt sich praktisch jede Art von Zelle mit maßgeschneiderten Eigenschaften zu konstruieren. Als Co-Autor zu studieren, was Dan Gibson erklärte, soll die langfristige Vision "zu entwerfen und Erstellen von synthetischen Organismen on Demand" und "fügen Sie Funktionen und Ergebnisse vorherzusagen." Er sagte, dass es in vielen industriellen Anwendungen, einschließlich Medizin, Biochemikalien, Biokraftstoffe, Ernährung und Landwirtschaft genutzt werden könnte.

Venter und seine Kollegen sind liebäugelt mit der Idee, einen Wettbewerb zu sehen, die die positiven und innovativen "gain Funktionen" für ihre minimalen Genoms ersinnen können. In der Zwischenzeit Einreichung sie Patente, sowohl auf syn3.0 und den Prozess zum Erstellen verwendet.