W przyszłości nie będziemy edytować genom. Będziemy tworzyć nowy

Od tego czasu, jak sumerowie po raz pierwszy chcieli napić się piwa, a było to tysiące lat temu, Homo sapiens ma mocnymi relacjami z Sacharomyces cerevisae, jednokomórkowe grzyby, bardziej znanych jako drożdże piwne. Dzięki fermentacji ludzie mogli używać ten mikroskopijny wygląd do swoich celów. W dzisiejszych czasach drożdżowe komórki produkują etanol i insuliny, na nich umieścić doświadczenia w laboratoriach.

To nie znaczy, że S. cerevisiae, nie można już poprawić – w każdym razie, zdaniem Jeffa Бойке. Dyrektor Instytutu genetycznych systemów przy uniwersytecie nowojorskim Бойке kieruje międzynarodową drużyną z setek ludzi, których zadaniem jest syntetyzować 12,5 milion genetycznych liter tworzących genom komórek drożdży.

W praktyce oznacza to stopniową wymianę każdego chromosomu drożdży – a takowych 16 – chemicznie zsyntetyzowanego DNA. Бойке i jego koledzy z prawie dziesięciu instytucji oprócz genom drożdży i pozwalają naukowcom mieszać jego geny według własnego uznania. W końcu syntetyczne drożdże – Sc2.0 – będą nastawiać się całkowicie.

"W ciągu najbliższych 10 lat syntetyczna biologia będzie produkować wszystkie rodzaje połączeń i materiałów z mikroorganizmami", mówi Бойке. "Mamy nadzieję, że nasze drożdże odegrał w tym dużą rolę".

Pomyśl o tym projekcie jako o czymś w rodzaju pierwszego samochodu Henry ' ego Forda – zebrany rękami i jedyny w swoim rodzaju. Pewnego dnia, jednak, będziemy całkiem заурядно zaprojektować genomy na ekranach komputerów. Zamiast rozwijać lub nawet edytować DNA organizmu, byłoby łatwiej po prostu wydrukować nową kopię. Wyobraź sobie markowe glony, produkujące paliwo; niezawodne organy; воскрешенные wymarłych gatunków.

"Myślę, że to może być więcej niż kosmiczna lub komputerowa rewolucja", mówi George Church, który genom w Harvard szkołą medyczną.

Wcześniej naukowcy już syntetyzowali genetyczne instrukcje, które rządzą wirusami i bakteriami. Ale drożdżowe komórki эукариотны, czyli przechowują swoje genomy w jądrze i wiążą je w chromosomach, jak ludzie. Ich genomy także o wiele więcej.

I to jest problem, bo syntezy DNA nie jest tak tanio, jak to opisać. Genom człowieka dziś można sekwencjonowaniu za 1000 dolarów, a cena ciągle spada. Ale aby zastąpić każdą literę DNA u drożdży, Бойке trzeba 1,25 miliona dolarów. Należy dodać koszty pracy i obliczeń do całkowitych kosztów projektu.

Wraz z Черчем i innymi Бойке kieruje GP-write, organizacją, służąc za międzynarodowe badania, które powinny obniżyć koszty projektowania, tworzenia i testowania genomów tysiąc razy za następne dziesięć lat. "Mamy do czynienia z różnego rodzaju problemami jak wygląd i biologia może bardzo nam pomóc na tej planecie", mówi. "Ale tylko jeśli zredukujemy koszty".

«w górę»

Naukowiec o imieniu Ronald Davis z Stanford po raz pierwszy zasugerował możliwość syntezy genomu drożdży na konferencji w 2004 roku. Zresztą, na ten moment Бойке nie widziałem w tym sensu. "Po co ktoś miałby to robić?", — tak myślał wtedy.

Ale Бойке przyszedł do przekonania, że wykonanie genomu drożdży może być najlepszym sposobem, aby zrozumieć organizm. Zastępując każdą część, można dowiedzieć się, które geny są niezbędne, a bez których organizm nie jest w stanie żyć. Niektórzy członkowie zespołu nazywają tę ideę "zbudować, aby zrozumieć".

"To zupełnie inny sposobem, aby zrozumieć, jak działają żywe istoty", mówi Leslie Mitchell, zasłużony pracownik laboratorium NYU i jeden z głównych twórców syntetycznych drożdży. "Dowiemy się, jakie luki w naszej wiedzy nie istnieją, stosując podejście «w górę» w genetyce".

Joel Bader, informatyk z Uniwersytetu Johna Hopkinsa, opracowuje oprogramowanie, które pozwala naukowcom zobaczyć chromosom drożdży na ekranie i śledzenie wersji w razie ich zmiany, jakby w biologicznym Google Docs. W 2008 roku, aby zrobić DNA, Бойке uruchomił kurs studiów licencjackich na uniwersytecie pod tytułem: "Zbuduj genom" (Build a Genome). Studenci powinni uczyć się podstawową biologię molekularną, zbierając ciągłą taśmę z 10 000 liter DNA, które miały udać się w projekt stworzenia syntetycznych drożdży. Nieco później kilka instytucji z Chin przyłączyli się do projektu, a za nimi dotarli brytyjczycy, australijczycy i japończycy.

"oddajemy chromosomy poszczególnych komend, jakby rozdziały książek, a oni prawo decydować, co z nimi zrobić, ale tak, aby to na 100% dopasowana do naszych zadań", mówi Patrick Kai, syntetyczny biolog z Uniwersytetu w Manchester, międzynarodowy koordynator projektu z drożdżami.

Następujące kroki

Бойке i jego zespół trwało osiem lat, by w końcu mogli przedstawić swoją pierwszą całkowicie sztuczny chromosom drożdży. Od tego czasu projekt przyspieszył. W marcu ubiegłego roku jeszcze pięć syntetycznych chromosomów drożdży zostały opisane w zbiorze artykułów w Science i Бойке oświadczył, że wszystkie 16 chromosomów obecnie gotowy na 80 procent. Te wysiłki pozwoliły zebrać jak największą ilość materiału genetycznego, kiedykolwiek syntetyzowany, a następnie wspólnego.

Pomogło i to, że genom drożdży okazał się bardzo odporny na wizji i zmiany zespołu. "Prawdopodobnie największym przełomem jest to, że można dręczyć genom, jak chcesz, a drożdże będą po prostu śmiać się", mówi Бойке.

Бойке i jego koledzy nie tylko zastąpiły naturalne genom drożdży syntetycznym. "Po prostu zrobić kopię byłoby głupie", mówi Church. WDNA organizmu są one również umieszczone cząsteczkowych spacje, jakby niewidzialne luki w stalowych pierścieniach czarodzieja. To pozwoliło im mieszać chromosom drożdży "jak talię kart", jak mówi Kai. System ten jest obecnie znany jako SCRaMbLE (synthetic chromosome recombination and modification by LoxP-mediated evolution).

Efektem jest szybka ewolucja prowadzona siłami człowieka: miliony nowych szczepów drożdży z różnych właściwościach można badać w laboratorium i znaleźć zastosowanie w medycynie i przemyśle. Mitchell przewiduje, że Sc2.0 z czasem zastąpić wszystkie pozostałe drożdże w naukowych laboratoriach.

Ostateczna dziedzictwem projektu Бойке może być rozwiązanie, jakiego genom syntetyzować w następujący sposób. Grupa GP-write początkowo sądziłam, że tworzenie syntetycznego genomu człowieka może stać się "wielkim wyzwaniem". Ale niektóre bioethics w wątpliwość i starannie krytykowali ten plan. Бойке podkreśla, że grupa "nie będzie robić projekt, mający na celu stworzenie człowieka z syntetycznym genomem". Czyli żadnych projektowych ludzi.

Ale jeśli odrzucimy etyczne rozważania, synteza pełnego ludzkiego genomu, który w 250 razy więcej genomu drożdży, nie jest praktyczne z zastosowaniem nowoczesnych metod. Również podobne wysiłki nie otrzymują finansowania. Praca Бойке z drożdżami fundował Narodową fundacją naukowa i akademickimi, instytucjami, ale wielka inicjatywa GP-write nie przyciąga dużej pomocy poza pierwotnej darowizny w wysokości 250 000 dolarów od komputerowej firmy Autodesk. Porównaj to z Human Genome Project, który otrzymał ponad 3 miliardów dolarów USA jako finansowania.

"To jest rewolucja, której nie chcemy budzić", mówi Church. "Jeśli rząd federalny i wszystkie 50 stanów usa nie chcą tego robić, możemy czerpać to, co siejemy. Zostaniemy w tyle".

Tymczasem, praca trwa, podstawa za podstawę. Wśród okładek czasopism i zdjęć grupowych Бойке przechowuje cytat na drzwiach swojego gabinetu, który przypisuje genetyka Teodozjusza Добжанскому: "Nic w biologii nie ma sensu, jak tylko w świetle ewolucji". Jaki by wielkiej nie został projekt Sc2.0 – nawet jeśli prowadzi do syntezy genomu myszy lub tworzenia świń dla transplantacji narządów ludzi – to ludzie będą kierować tę ewolucję w dobrym kierunku. Sc2.0 może stać się drugim najważniejszym osiągnięciem, do którego doprowadziły drożdże. Po piwa.