Σε Νέα Δημιουργημένη Μορφή Ζωής, ένα Μείζον Μυστήριο
Ξεφλουδίστε τα στρώματα ενός σπιτιού - τους σοβατισμένους τοίχους, τη στέγη από σχιστόλιθο, τα δάπεδα από μασίφ ξύλο - και θα έχετε ένα πλαίσιο, τη σκελετική μορφή που αποτελεί τον πυρήνα οποιασδήποτε κατασκευής. Μπορούμε να κάνουμε το ίδιο με τη ζωή; Μπορούν οι επιστήμονες να περιορίσουν τα στρώματα της πολυπλοκότητας για να αποκαλύψουν την ουσία της ζωής, το θεμέλιο πάνω στο οποίο βασίζεται η βιολογία;
Αυτό προσπάθησαν να κάνουν ο Κρεγκ Βέντερ και οι συνεργάτες του σε μια νέα μελέτη που δημοσιεύτηκε σήμερα στο περιοδικό Science . Η ομάδα του Venter περιόρισε με κόπο το γονιδίωμα του Mycoplasma mycoides , ένα βακτήριο που ζει στα βοοειδή, για να αποκαλύψει ένα σύνολο γενετικών οδηγιών με γυμνά οστά ικανά να δημιουργήσουν ζωή. Το αποτέλεσμα είναι ένας μικροσκοπικός οργανισμός που ονομάζεται syn3.0 που περιέχει μόλις 473 γονίδια. (Συγκριτικά, E. coli έχει περίπου 4.000 έως 5.000 γονίδια και οι άνθρωποι έχουν περίπου 20.000.)
Ωστόσο, μέσα σε αυτά τα 473 γονίδια βρίσκεται μια ανοιχτή τρύπα. Οι επιστήμονες δεν έχουν ιδέα τι κάνει περίπου το ένα τρίτο από αυτούς. Αντί να φωτίζει τα βασικά στοιχεία της ζωής, το syn3.0 αποκάλυψε πόσα πολλά έχουμε να μάθουμε για τα ίδια τα βασικά στοιχεία της βιολογίας.
«Για μένα, το πιο ενδιαφέρον πράγμα είναι τι μας λέει για αυτά που δεν γνωρίζουμε», είπε ο Jack Szostak, βιοχημικός στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ που δεν συμμετείχε στη μελέτη. "Τόσα πολλά γονίδια άγνωστης λειτουργίας φαίνεται να είναι απαραίτητα."
«Ήμασταν εντελώς έκπληκτοι και σοκαρισμένοι», είπε ο Βέντερ, ένας βιολόγος που είναι επικεφαλής του Ινστιτούτου J. Craig Venter στη La Jolla της Καλιφόρνια και στο Rockville, Md., και είναι πιο διάσημος για τον ρόλο του στη χαρτογράφηση του ανθρώπινου γονιδιώματος. Οι ερευνητές περίμεναν κάποιο αριθμό άγνωστων γονιδίων στο μείγμα, ίσως συνολικά το 5 έως 10 τοις εκατό του γονιδιώματος. "Αλλά αυτός είναι πραγματικά ένας εκπληκτικός αριθμός", είπε.
Ο σπόρος για την αναζήτηση του Venter φυτεύτηκε το 1995, όταν η ομάδα του αποκρυπτογράφησε το γονιδίωμα του Mycoplasma genitalium , ένα μικρόβιο που ζει στο ανθρώπινο ουροποιητικό σύστημα. Όταν οι ερευνητές του Venter ξεκίνησαν να εργάζονται σε αυτό το νέο έργο, επέλεξαν το M. γεννητικό όργανο — το δεύτερο πλήρες βακτηριακό γονιδίωμα που πρόκειται να προσδιοριστεί η αλληλουχία — ρητά για το μικρότερο μέγεθος του γονιδιώματος του. Με 517 γονίδια και 580.000 γράμματα DNA, έχει ένα από τα μικρότερα γνωστά γονιδιώματα σε έναν οργανισμό που αναπαράγεται μόνο του. (Μερικά συμβιωτικά μικρόβια μπορούν να επιβιώσουν με μόλις 100 γονίδια, αλλά βασίζονται σε πόρους από τον ξενιστή τους για να επιβιώσουν.)
M. genitalium Η περικοπή της συσκευασίας DNA έθεσε το ερώτημα:Ποιος είναι ο μικρότερος αριθμός γονιδίων που θα μπορούσε να έχει ένα κύτταρο; «Θέλαμε να μάθουμε τα βασικά γονιδιακά συστατικά της ζωής», είπε ο Venter. "Φαινόταν μια υπέροχη ιδέα πριν από 20 χρόνια - δεν είχαμε ιδέα ότι θα ήταν μια διαδικασία 20 ετών για να φτάσουμε εδώ."
Minimal Design
Ο Venter και οι συνεργάτες του αρχικά ξεκίνησαν να σχεδιάσουν ένα απογυμνωμένο γονιδίωμα με βάση τα όσα γνώριζαν οι επιστήμονες για τη βιολογία. Θα ξεκινούσαν με γονίδια που εμπλέκονται στις πιο κρίσιμες διεργασίες του κυττάρου, όπως η αντιγραφή και η μετάφραση του DNA, και θα δημιουργούσαν από εκεί.
Αλλά προτού μπορέσουν να δημιουργήσουν αυτήν την εξορθολογισμένη εκδοχή της ζωής, οι ερευνητές έπρεπε να καταλάβουν πώς να σχεδιάσουν και να κατασκευάσουν γονιδιώματα από την αρχή. Αντί να επεξεργαστούν το DNA σε έναν ζωντανό οργανισμό, όπως έκαναν οι περισσότεροι ερευνητές, ήθελαν να ασκήσουν μεγαλύτερο έλεγχο — να σχεδιάσουν το γονιδίωμά τους σε έναν υπολογιστή και στη συνέχεια να συνθέσουν το DNA σε δοκιμαστικούς σωλήνες.
Το 2008, ο Venter και ο συνεργάτης του Hamilton Smith δημιούργησαν το πρώτο συνθετικό βακτηριακό γονιδίωμα κατασκευάζοντας μια τροποποιημένη έκδοση του M. γεννητικό όργανο το DNA του. Στη συνέχεια, το 2010 έφτιαξαν τον πρώτο αυτοαναπαραγόμενο συνθετικό οργανισμό, κατασκευάζοντας μια έκδοση του M. mycoides γονιδίωμα και στη συνέχεια μεταφύτευσή του σε διαφορετικό Μυκόπλασμα είδος. Το συνθετικό γονιδίωμα ανέλαβε το κύτταρο, αντικαθιστώντας το εγγενές λειτουργικό σύστημα με μια ανθρώπινη έκδοση. Το συνθετικό Μ. mycoides Το γονιδίωμα ήταν ως επί το πλείστον πανομοιότυπο με τη φυσική εκδοχή, εκτός από μερικά γενετικά υδατογραφήματα — οι ερευνητές πρόσθεσαν τα ονόματά τους και μερικά διάσημα αποφθέγματα, συμπεριλαμβανομένης μιας ελαφρώς μπερδεμένης εκδοχής του ισχυρισμού του Richard Feynman, «Αυτό που δεν μπορώ να δημιουργήσω, δεν καταλαβαίνω». P>
Με τα σωστά εργαλεία τελικά στα χέρια, οι ερευνητές σχεδίασαν ένα σύνολο γενετικών σχεδιαγραμμάτων για το ελάχιστο κύτταρο τους και στη συνέχεια προσπάθησαν να τα κατασκευάσουν. Ωστόσο, «ούτε ένα σχέδιο δεν λειτούργησε», είπε ο Venter. Έβλεπε τις επαναλαμβανόμενες αποτυχίες τους ως επίπληξη για την ύβρις τους. Έχει η σύγχρονη επιστήμη επαρκή γνώση των βασικών βιολογικών αρχών για την κατασκευή ενός κυττάρου; «Η απάντηση ήταν ένα κατηγορηματικό όχι», είπε.
Έτσι, η ομάδα ακολούθησε μια διαφορετική και πιο απαιτητική προσπάθεια, αντικαθιστώντας τη σχεδιαστική προσέγγιση με δοκιμή και σφάλμα. Διατάραξαν την Μ. mycoides γονίδια, τα οποία καθορίζουν ποια ήταν απαραίτητα για την επιβίωση των βακτηρίων. Διέγραψαν τα ξένα γονίδια για να δημιουργήσουν το syn3.0, το οποίο έχει μικρότερο γονιδίωμα από οποιονδήποτε ανεξάρτητο αναπαραγόμενο οργανισμό που έχει ανακαλυφθεί στη Γη μέχρι σήμερα.
Τι μένει μετά το κόψιμο του γενετικού λίπους; Η πλειοψηφία των υπολοίπων γονιδίων εμπλέκεται σε μία από τις τρεις λειτουργίες:παραγωγή RNA και πρωτεϊνών, διατήρηση της πιστότητας των γενετικών πληροφοριών ή δημιουργία της κυτταρικής μεμβράνης. Τα γονίδια για την επεξεργασία του DNA ήταν σε μεγάλο βαθμό αναλώσιμα.
Αλλά δεν είναι σαφές τι κάνουν τα υπόλοιπα 149 γονίδια. Οι επιστήμονες μπορούν σε γενικές γραμμές να ταξινομήσουν 70 από αυτά με βάση τη δομή των γονιδίων, αλλά οι ερευνητές δεν έχουν ιδέα για τον ακριβή ρόλο που παίζουν τα γονίδια στο κύτταρο. Η λειτουργία 79 γονιδίων είναι ένα πλήρες μυστήριο. «Δεν ξέρουμε τι παρέχουν ή γιατί είναι απαραίτητα για τη ζωή – ίσως κάνουν κάτι πιο λεπτό, κάτι που προφανώς δεν έχει εκτιμηθεί ακόμα στη βιολογία», είπε ο Βέντερ. "Είναι ένα πολύ ταπεινό σύνολο πειραμάτων."
Η ομάδα του Venter είναι πρόθυμη να καταλάβει τι κάνουν τα μυστήρια γονίδια, αλλά η πρόκληση πολλαπλασιάζεται από το γεγονός ότι αυτά τα γονίδια δεν μοιάζουν με κανένα άλλο γνωστό γονίδιο. Ένας τρόπος για να διερευνηθεί η λειτουργία τους είναι να κατασκευαστούν εκδόσεις του κυττάρου στις οποίες κάθε ένα από αυτά τα γονίδια μπορεί να ενεργοποιηθεί και να απενεργοποιηθεί. Όταν φεύγουν, "ποιο είναι το πρώτο πράγμα που θα μπερδέψεις;" είπε ο Szostak. "Μπορείτε να δοκιμάσετε να το καρφιτσώσετε στη γενική τάξη, όπως μεταβολισμό ή αντιγραφή DNA."
Μείωση στο μηδέν
Ο Venter φροντίζει να αποφύγει την κλήση του syn3.0 ως ένα καθολικό ελάχιστο κελί. Αν είχε κάνει το ίδιο σύνολο πειραμάτων με διαφορετικό μικρόβιο, επισημαίνει, θα είχε καταλήξει με διαφορετικό σύνολο γονιδίων.
Στην πραγματικότητα, δεν υπάρχει ένα ενιαίο σύνολο γονιδίων που χρειάζονται όλα τα έμβια όντα για να υπάρχουν. Όταν οι επιστήμονες άρχισαν για πρώτη φορά να αναζητούν κάτι τέτοιο πριν από 20 χρόνια, ήλπιζαν ότι η απλή σύγκριση των αλληλουχιών γονιδιώματος από μια δέσμη διαφορετικών ειδών θα αποκάλυπτε έναν ουσιαστικό πυρήνα που μοιράζονται όλα τα είδη. Αλλά καθώς ο αριθμός των αλληλουχιών γονιδιώματος άνθισε, αυτός ο βασικός πυρήνας εξαφανίστηκε. Το 2010, ο David Ussery, βιολόγος στο Εθνικό Εργαστήριο Oak Ridge στο Τενεσί, και οι συνεργάτες του συνέκριναν 1.000 γονιδιώματα. Βρήκαν ότι ούτε ένα γονίδιο δεν μοιράζεται σε όλη τη ζωή. "Υπάρχουν διαφορετικοί τρόποι για να έχετε ένα βασικό σύνολο οδηγιών", είπε ο Szostak.
Επιπλέον, αυτό που είναι απαραίτητο στη βιολογία εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από το περιβάλλον ενός οργανισμού. Για παράδειγμα, φανταστείτε ένα μικρόβιο που ζει παρουσία μιας τοξίνης, όπως ένα αντιβιοτικό. Ένα γονίδιο που μπορεί να διασπάσει την τοξίνη θα ήταν απαραίτητο για ένα μικρόβιο σε αυτό το περιβάλλον. Αλλά αφαιρέστε την τοξίνη και αυτό το γονίδιο δεν είναι πλέον απαραίτητο.
Το ελάχιστο κύτταρο του Venter είναι προϊόν όχι μόνο του περιβάλλοντός του, αλλά και ολόκληρης της ιστορίας της ζωής στη Γη. Κάποια στιγμή στο ρεκόρ της βιολογίας 4 δισεκατομμυρίων ετών, κύτταρα πολύ πιο απλά από αυτό πρέπει να υπήρχαν. «Δεν πήγαμε από το τίποτα σε ένα κύτταρο με 400 γονίδια», είπε ο Szostak. Αυτός και άλλοι προσπαθούν να δημιουργήσουν πιο βασικές μορφές ζωής που να είναι αντιπροσωπευτικές αυτών των προηγούμενων σταδίων της εξέλιξης.
Μερικοί επιστήμονες λένε ότι αυτός ο τύπος προσέγγισης από κάτω προς τα πάνω είναι απαραίτητος για να κατανοήσουμε πραγματικά την ουσία της ζωής. «Αν θέλουμε ποτέ να κατανοήσουμε ακόμη και τον πιο απλό ζωντανό οργανισμό, πρέπει να είμαστε σε θέση να σχεδιάσουμε και να συνθέσουμε έναν από την αρχή», δήλωσε ο Anthony Forster, βιολόγος στο Πανεπιστήμιο της Ουψάλα στη Σουηδία. "Είμαστε ακόμα μακριά από αυτόν τον στόχο."
