Wetenschappers hebben zich lang afgevraagd: kunnen ze een volwaardige synthetische levensvorm creëren? Bioloog Anthony José introduceerde het concept van een cellulaire code, waarvan de kennis nodig is om een kunstmatig organisme te verkrijgen.
Momenteel zijn onderzoekers net begonnen met het produceren van kunstmatige levensvormen door de genomen van eencellige micro-organismen opnieuw samen te stellen. In het bijzonder verscheen in maart vorig jaar een artikel in een van de gespecialiseerde publicaties waarin wetenschappers het proces beschreven van het creëren van een bacterie mycoplasma met zo min mogelijk genen. Om het gewenste resultaat te krijgen, plaatsten wetenschappers afwisselend fragmenten van het gewijzigde genoom, dat bijna half zo groot was als het origineel, in de ontvangende cel met het vernietigde DNA.
Dit jaar wisten Amerikaanse onderzoekers van de Johns Hopkins University gist te verkrijgen met kunstmatige chromosomen, waaruit nutteloze en defecte genen werden verwijderd. Bovendien slaagden de wetenschappers erin om de genetische code te doorbreken door de tripletten van de TAG-eiwitten te veranderen in TAA. Hierdoor raakten de organismen het extra fragment kwijt dat de TAG-codons diende.
Terwijl sommige onderzoekers proberen eencellige organismen te creëren die vrij zijn van genetisch afval, proberen andere wetenschappers veranderingen aan te brengen in de manier waarop eiwitten worden gecodeerd door een DNA-sequentie. Op dit moment is de voortgang in deze richting meer dan bescheiden. Het weinige dat is gedaan, is het diversifiëren van het DNA-alfabet. Aan de vier reeds bestaande nucleotide letters zijn verschillende letters toegevoegd. Een van de wetenschappelijke artikelen gaat over hoe een internationale groep onderzoekers erin slaagde om kunstmatige nucleotiden Y, X in het genoom van E. coli in te brengen. terwijl ze zich met succes ontwikkelen.
Dit is echter slechts de eerste stap op weg naar een volwaardig kunstmatig organisme. In de volgende stap zijn wetenschappers van plan kunstmatige nucleotiden te dwingen om voor aminozuren te coderen. In E. coli werden synthetische eiwitten Y, X in een veilig deel van het genoom geplaatst, buiten de coderende sequenties van genen. Anders zouden nieuwe peptiden het proces van eiwitsynthese gewoon verstoren. De cel zou eenvoudigweg niet weten voor welk aminozuur dit of dat codon (YGC of ATX) verantwoordelijk was. Biologen moeten nog een nieuw transport-RNA creëren dat dergelijke tripletten kan herkennen en een bepaald aminozuur in de groeiende peptidesequentie kan invoegen.
Maar zelfs onder dergelijke omstandigheden kan zo'n organisme nauwelijks kunstmatig worden genoemd. Tegelijkertijd begrijpen wetenschappers wat hun volgende acties zullen zijn. Een synthetisch organisme krijgt niet alleen nieuwe nucleotiden, maar ook nieuwe aminozuren, die ofwel helemaal niet voorkomen, ofwel uiterst zeldzaam zijn in de cel. Wetenschappers zijn zich er terdege van bewust dat alle tripletten van nucleotiden worden gecodeerd door slechts twintig standaard aminozuren. Enkele andere aminozuren, waaronder selenocysteïne, kunnen onder bepaalde omstandigheden in het eiwit worden opgenomen. Dankzij de extra letters van de genetische code is het mogelijk om het eiwit te verrijken en codons te vormen die overeenkomen met de nieuwe aminozuren.
Ondanks dat de synthetische biologie enige vooruitgang heeft geboekt, weten onderzoekers nog steeds niet precies welke informatie belangrijk is om een organisme met de gegeven kenmerken te verkrijgen. De DNA-sequentie is slechts een startpunt. Alle cellen van een plant of dier bevatten hetzelfde genoom, maar in de loop van de ontwikkeling van organismen worden de cellen afgebakend, met andere woorden, ze vervullen verschillende functies. Hierbij speelt secundaire (zogenaamde epigenetische) regulatie een belangrijke rol, waarbij bepaalde genen worden uitgeschakeld of geactiveerd door verbindingen. Uiteindelijk kan de ene cel in een fibroblast veranderen en de andere in een neuron.
Anthony José, een bioloog aan de Universiteit van Maryland, onderzoekt hoe niet-genetische informatie een organisme definieert. De onderzoeker stelde het concept van een cellulaire code voor, die is ingesloten in biologische moleculen die zich in een driedimensionale ruimte bevinden. Deze moleculen zijn nodig om de rest van het organisme te recreëren. Om deze informatie op te slaan, zijn niet alle cellen van een complex organisme nodig; meerdere of zelfs één cel is voldoende. Voor organismen die zich seksueel voortplanten, is zo'n bewaarplaats de zygote (dit is een cel die wordt gevormd na de bevruchting van een vrouwelijke gameet met een sperma).
Promotie video:
Volgens de onderzoeker is het om de cellulaire code te ontcijferen nodig om de hele cyclus van de reconstructie van het organisme te bestuderen. Met andere woorden, het is noodzakelijk om de ontwikkeling van een levend organisme en de voortplanting ervan als een enkel proces te beschouwen. Om volledig te begrijpen hoe dit werkt, is het niet voldoende om DNA te ontcijferen.
Tijdens de vorming van een zygote wordt de vorming van een nieuw organisme niet alleen beïnvloed door het DNA dat wordt verkregen uit de eicel en het sperma, maar ook door het cytoplasma van de gameet. Stoffen die zich ophopen tijdens de rijping van gameten (mRNA, eiwitten, transcriptiefactoren) kunnen het maternale effect veroorzaken. Ze zijn aanwezig in de vroege stadia van de ontwikkeling van het embryo en zijn zelfs in staat om het te doden (dit is typerend voor de meikevers). Ook de ruimtelijke structuur van deze stoffen speelt een bepaalde rol. Ze vormen met name de lichaamsassen bij insecten en bepalen de krul van schelpen bij weekdieren.
De wetenschapper zal het volgende schema voorstellen: een cel die biologische macromoleculen en andere verbindingen heeft, in het proces van interactie met voedingsstoffen, signaalmoleculen en temperatuur (dat wil zeggen, externe factoren), gaat in een andere toestand, die op zijn beurt het milieu beïnvloedt. Op dezelfde manier doorloopt het hele systeem een bepaald aantal cycli, terwijl nieuwe stoffen worden verzameld. De nieuwe fase is afhankelijk van de vorige, dus deze kan worden voorspeld.
Jose maakt zich zorgen dat biologen nog steeds niet de volledige cellulaire code van het eenvoudigste organisme kennen, maar ze werken met DNA en zijn toch begonnen met het creëren van een semi-kunstmatige levensvorm. Volgens de onderzoeker lijken dergelijke manipulaties met genetisch materiaal op het vervangen van onderdelen in een of ander mechanisme, dus kunnen ze ethisch gezien erg riskant zijn.
Om de cellulaire code te ontcijferen, stelt de bioloog voor om de interne kenmerken van zygoten te vergelijken in een reeks generaties van de eenvoudigste micro-organismen, bijvoorbeeld eencellige algen. Voor deze doeleinden kunnen ook semi-kunstmatige bacteriën met een minimaal genoom geschikt zijn. Door het vader- of maternale effect te bestuderen, kunnen significante externe factoren worden vastgesteld. En de studie van de ruimtelijke ordening van belangrijke moleculen kan worden uitgevoerd met behulp van systematische biochemische en moleculaire analyse met behulp van fluorescerende moleculen.
