Monstro Do Tubo De Ensaio: Progresso Foi Feito Na Criação De Uma Forma De Vida Sintética

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Anonim
Monstro do tubo de ensaio: houve progresso na criação de uma forma de vida sintética - bactérias, genoma, sintéticos
Monstro do tubo de ensaio: houve progresso na criação de uma forma de vida sintética - bactérias, genoma, sintéticos
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Biólogos conseguiram criar bactéria com genoma sintéticoremovendo dele todos os genes que podem ser dispensados.

Um microrganismo pode existir apenas em condições laboratoriais ideais para ele, portanto, dificilmente pode representar um perigo para aqueles que suspeitam de tais experimentos. "Lenta.ru" conheceu a pesquisa revolucionária e descobriu por que seus resultados são tão importantes.

As células são a unidade fundamental de um organismo vivo. Sua existência, por sua vez, depende do genoma - a totalidade de todo o material hereditário, que inclui genes e DNA não codificador de proteínas. O genoma contém informações criptografadas que determinam a composição química da célula, o metabolismo, sua estrutura, reprodução e muito mais.

Cada genoma é um tipo de instrução por meio da qual os processos vitais são executados, comuns a todos os organismos vivos da Terra e específicos a espécies específicas.

O genoma interage ativamente com o citoplasma da célula. Por um lado, determina as funções de seus componentes individuais e, por outro, alguns desses próprios componentes regulam a atividade dos genes, acelerando ou suprimindo a produção de proteínas vitais.

O genoma pode ser pensado como parte do software da célula. O sequenciamento é um método pelo qual você pode determinar a composição química do DNA, permite decifrar as instruções codificadas no genoma e determinar quais funções uma parte específica do DNA executa.

Os cientistas estudam há muitos anos a possibilidade de simplificar o genoma de uma célula bacteriana de modo que apenas os genes e o DNA regulador permaneçam, que fornecem funções básicas - crescimento e reprodução - em condições ideais de laboratório. Na natureza, organismos com esse genoma não poderiam sobreviver, pois teriam que se adaptar a um ambiente em constante mudança, e os genes que fornecem essa plasticidade foram removidos deles.

Bactérias típicas como Bacillus subtilis e Escherichia coli são altamente adaptáveis porque carregam genes que só são ativados sob certas condições. O tamanho do genoma codificador dessas bactérias consiste de quatro a cinco mil genes. Outras bactérias preferem um ambiente estável que não muda por milênios, então a evolução "desliga" o excesso de DNA para sempre.

Estágios de minimização do genoma de M. mycoides

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Em 1984, o biofísico americano da origem da vida Harold Morowitz sugeriu que os micoplasmas poderiam ser um objeto conveniente para estudar os fundamentos básicos da vida. Os micoplasmas são uma classe de bactérias que são os organismos celulares mais simples conhecidos. O sequenciamento do genoma de Mycoplasma genitalium foi concluído em 1995, mas determinar as funções de regiões específicas dele permaneceu um desafio.

Os micoplasmas geralmente se desenvolvem em ambientes ricos em nutrientes, como células humanas e animais parasitadas. Este ambiente é relativamente estável, razão pela qual eles têm o menor genoma conhecido entre os organismos que se reproduzem independentemente.

Em 1996, a bioinformática Evgeny Kunin e Arkady Mushegyan compararam os genomas de duas bactérias - Haemophilus influenzae (contém 1815 genes) e M.genitalium (525 genes - o menor genoma micoplasmático conhecido). Eles foram capazes de identificar 240 genes que foram encontrados em ambas as bactérias e cobriram a maioria das funções celulares básicas.

Os cientistas acrescentaram a eles 16 genes adicionais necessários para a implementação de processos metabólicos vitais e receberam o que chamaram de "o menor conjunto possível de genes".

Em 1999, uma equipe de biólogos liderada por Craig Venter, usando um método chamado mutagênese transposon global, refinou o número de genes do menor conjunto. Os cientistas se revezaram desligando os genes de M. genitalium, inserindo transposons - fragmentos de DNA "saltadores" que são capazes de se mover e se reproduzir dentro do genoma.

Se a bactéria sobreviveu com o gene desativado, ela foi considerada insignificante para sua vida. Descobriu-se que o menor conjunto possível de genes deve incluir pelo menos 375 genes. Pelo menos, porque esse método tem uma desvantagem: se um gene tem um "duplo", quando você os desliga, a célula sobrevive naturalmente, mas se os dois ao mesmo tempo, ela morrerá.

Na mesma época, os cientistas começaram a desenvolver métodos para criar um genoma artificial a fim de recriar um conjunto mínimo de genes. Eles substituíram o M. genitalium de multiplicação insuficiente e rápida por M. mycoides, que é mais adequado para experimentos de laboratório. O tamanho do genoma deste último é de cerca de 900 genes, ou, em outras palavras, mais de um milhão de bases emparelhadas - os “blocos de construção” de uma fita dupla de DNA. Em 2010, os biólogos obtiveram a cepa JCVI-syn1.0, um micoplasma com genoma sintetizado quimicamente.

Para fazer isso, os cientistas inseriram fragmentos individuais de DNA de M. mycoides na célula da bactéria receptora, cujo próprio genoma havia sido previamente destruído. JCVI-syn1.0 era quase uma cópia exata de M. mycoides, exceto pela presença de DNA "técnico" (marcadores genéticos), que era usado como "florestas" para a construção do genoma.

Comparação das características de crescimento das colônias JCVI-syn1.0 e JCVI-syn3.0

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No novo trabalho, a equipe de biólogos utilizou dados previamente obtidos por eles pelo método do transposon, além de informações de outros artigos que avaliaram a viabilidade de bactérias com a retirada gradativa de trechos de DNA delas.

Além disso, para excluir "duplos", os pesquisadores determinaram a função dos genes comparando-os com genes semelhantes, cuja finalidade já era conhecida. Assim, todos os genes de M. mycoides foram classificados como essenciais ou não essenciais. Com base em todas as informações disponíveis e por meio de testes experimentais constantes, os cientistas foram capazes de determinar o genoma mínimo.

Todo o estudo pode ser apresentado como um ciclo. Em cada estágio, os biólogos sintetizaram vários genomas JCVI-syn1.0 incompletos em células de levedura, removendo deles genes que eram hipoteticamente insignificantes. Em seguida, os genomas foram transplantados para células receptoras de M. capricolum, após o que foi determinada a viabilidade dos microrganismos obtidos.

Depois disso, os cientistas superestimaram a importância de genes específicos e o ciclo começou de novo. Ao final, os pesquisadores obtiveram uma nova cepa da bactéria - JCVI-syn3.0, cujo genoma foi cortado pela metade em relação à versão anterior e somava 531 mil pares de bases. Ele codifica 438 proteínas e 35 tipos de RNA regulatório - 437 genes no total.

Os cientistas descobriram que 49 por cento dos genes restantes mantiveram sua função desde o tempo do último ancestral comum. O papel dos outros 149 genes é atualmente desconhecido, embora seus homólogos potenciais (genes de origem comum) tenham sido encontrados em outros organismos e codifiquem proteínas cujas funções ainda não foram elucidadas.

Por outro lado, quase todos os genes sobreviveram, cujo trabalho está associado à transcrição e regulação do DNA, metabolismo do RNA, dobramento de proteínas, síntese de ribossomos, bem como duplicação de DNA, sua restauração e outros mecanismos genéticos que poderiam existem desde os primeiros tempos do desenvolvimento da vida.

As fitas duplas de DNA são formadas por bases emparelhadas, na sequência das quais as informações sobre proteínas ou RNAs reguladores são codificadas.

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No total, os biólogos removeram 428 genes. As funções da maioria deles também são desconhecidas, mas 73 genes eram elementos genéticos móveis - sequências de DNA movendo-se dentro do genoma - e regiões do genoma que codificam para enzimas que hidrolisam ácidos nucléicos.

Eles também removeram 72 genes responsáveis pela síntese de lipoproteínas - proteínas envolvidas no metabolismo lipídico. Como o meio nutriente do laboratório fornecia às células todas as substâncias necessárias, não havia necessidade de genes envolvidos no transporte, catabolismo, degradação de proteínas e outros processos metabólicos que se tornavam redundantes.

Um resultado importante do estudo não é que foi possível obter um "núcleo genético universal da vida" - isso é fundamentalmente impossível de fazer, uma vez que em organismos diferentes os genes do menor conjunto possível podem não só ser diferentes, mas também ter origens diferentes.

O principal significado do trabalho é que uma plataforma universal foi criada para estudar as funções básicas da vida e estudar a estrutura do genoma. Além disso, o próprio método, desenvolvido por cientistas para a síntese de JCVI-syn3.0, permite criar novas construções genômicas, bem como desenhar células modelo, cuja função de cada gene é bem conhecida.

De acordo com os pesquisadores, isso será uma oportunidade para criar vias metabólicas para a síntese de medicamentos e produtos químicos industriais.

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