Élet a számítógépből: Mycoplasma mycoides JCVI-syn1.0

 

Mindez előre vetíti azokat a dolgokat, amiket korábban csak a sci-fikben láthattunk, olvashattunk: számítógéppel saját igényeinkhez tervezett élő anyagot hozhatunk létre. Olyat, ami az általunk kívánt bonyolult szerves vegyületeket, gyógyszereket, ipari nyersanyagokat és élelmiszereket, illetve összetettebb struktúrákat állít elő. A programozás mostantól bevonul a biológiai rendszerek tervezésének – már ez is felmérhetetlen jelentőségű dolog – világába, elhagyva az utóbbi évtizedek meghatározó technikai vívmányát, az elektronikát. Nem tudjuk még, mikor jön el az az idő, amikor egy terméket nem legyártani, hanem növeszteni fogunk, de most már ráléptünk az ehhez vezető útra.

 

 

A Mycoplasma mycoides JCVI-syn1.0 élőben

 

 

Következzék hát a 2010. május 20-i bejelentés magyar fordítása. Első sorban a szakmai közönség számára készült, ám ez nem jelenti azt, hogy ne lenne érdemes megismernie az „utca emberének”. Már csak azért is, mert az anyag a technikai megvalósítás leírásán túl több etikai, társadalmi kérdésre is kitér.

 

 

Az első osztódni képes mesterséges baktérium sejt

 

A J. Craig Venter Intézet kutatói előállították az első osztódni képes mesterséges baktérium sejtet

 

A genomiális kutatással foglalkozó nonprofit J. Craig Venter Intézet (JCVI) kutatói a mai napon jelentették be, hogy elsőként sikerült osztódni képes mesterséges baktérium sejtet létrehozniuk. A kutatócsoport egy módosított Mycoplasma mycoides genom 1,08 millió bázispárt tartalmazó kromoszómáját szintetizálta. A mesterséges sejt a Mycoplasma mycoides JCVI-syn1.0 nevet kapta, és élő bizonyítékul szolgál arra, hogy lehetséges genomot számítógéppel megtervezni, kémiai laboratóriumban összeállítani és beültetni egy fogadó sejtbe, amely azután kizárólag a mesterséges genom által irányítottan szaporodni is képes.

 

A kutatási eredményeket Daniel Gibson és munkatársai a Science Express május 20-i számában, valamint a Science hamarosan megjelenő kiadványában fogják megjelentetni.

 

„Közel 15 éve dolgozunk Ham Smith-szel, Clyde Hutchisonnal és a csoportunk többi tagjával ezen a publikáción, amelybe végre beszámolhatunk róla, hogy sikeresen létrehoztunk egy teljes egészében mesterséges genom által szabályzott baktérium sejtet.” – jelentette be J. Craig Venter, Ph.D., a JCVI megalapítója és elnöke, a tudományos cikk első szerzője. – „A kutatásaink mellett nem hagytuk figyelmen kívül azok társadalmi vonatkozásit sem, mivel véleményünk szerint ezek az eredmények vezethetnek a jövőben a legnagyobb horderejű technológiai és ipari fejlesztésekhez a közjó szolgálatában. Bízunk egy folyamatos értékelésben és párbeszédben, amely biztosítja, hogy kutatási eredményeink mindenki javára szolgáljanak.”

 

Dr. Smith szerint „Ezzel az első mesterséges baktérium sejttel és a projekt sikeres megvalósítását lehetővé tevő új eszközök és eljárások kidolgozásával, kezünkben van a lehetőség arra, hogy felboncoljuk a baktérium sejt genetikai információkészletét és megérthessük, valójában hogyan is működik.”

 

Ahhoz, hogy a közel 15 éves kutatási folyamat végén megalkothassanak és beindíthassanak egy mesterséges sejtet, a JCVI kutatóinak az M. mycoides baktérium pontos digitalizált genomjára volt elsőnek szükségük. A csoport 1078 specifikus DNS kazettát tervezett, amelyek hossza 1080 bázispár volt. Ezeket a kazettákat úgy tervezték, hogy minden DNS kazetta vége 80 bázispár hosszan átfedje az előtte és az utána álló kazettákat is. A kazettákat a JCVI előírásai szerint a Blue Heron Biotechnology DNS szintetizáló társaság készítette el.

 

 

A szintetikus M. mycoides „összeszerelése”

 

 

A JCVI csoport egy előzőleg szintén általuk megalkotott élesztő összeállítási rendszer segítségével egy három fázisból álló folyamat során építette fel a 1078 kazettából álló genomot. Első lépésben egyenként 10 DNS kazettából építettek 110 darab 10 000 bázispáros szegmenst. A második lépés során ezeket a 10 000 bázispárnyi szegmenseket építették össze tízesével, így állítottak elő 11 db 100 000 bázispárnyi szegmenst. A végső lépésben a 11 db 100 kb szegmenst építették össze egy teljes mesterséges genommá élesztő sejtek belsejében, és egy élesztő mesterséges kromoszómaként szaporították.

 

A teljes mesterséges M. mycoides genomot izolálták az élesztő sejtből és transzplantálták egy Mycoplasma capricolum befogadó sejtbe, amelyből a restrikciós enzimek génjeit eltávolították. A mesterséges genom DNS-e átíródott messenger RNS-re, amely közreműködésével új fehérjék előállítása indult meg. A M. capricolum genomját vagy a M. mycoides restrikciós enzimjei pusztították el, vagy a sejt osztódása során tűnt el. Két nap elteltével életképes, kizárólag a mesterséges DNS-t tartalmazó M. mycoides sejtek alkottak szemmel látható telepeket bakteriális táptalajt tartalmazó petri csészékben.

 

A mesterséges genom kezdeti szintézise nem eredményezett életképes sejteket, ezért a JCVI kutatócsoport egy hibajavító módszert fejlesztett ki arra, hogy minden egyes mesterségesen előállított kazetta esetében ellenőrizni lehessen a biológiai működőképességet. Ehhez egy fél-mesterséges genomot állítottak elő 100 kb hosszúságú természetes és mesterséges DNS szegmensekből. Ez a megközelítés lehetővé tette, hogy minden egyes mesterséges szegmenst 10 természetes szegmenssel kombinálva tesztelni lehessen arra, hogy képes-e új sejteket létrehozni. A 11 mesterséges fragment 10 életképes sejtet eredményezett; a kutatócsoport leszűkíthette a problémát egyetlen 100 kb-os kazettára. A DNS szegmentálás kimutatta, hogy egy életfontosságú gén egyetlen bázispárának hiánya a felelős a sikertelen transzplantációkért. Amint ezt az egy bázispárnyi hibát kijavították, létrejött az első életképes mesterséges sejt.

 

Dr. Gibson kijelentette: „Ahhoz hogy mesterséges sejtet állítsunk elő, a kutatócsoportnak meg kellett tanulnia genomot szekvenálni, szintetizálni és transzplantálni. Sok akadályt kellett legyőzni, de végül sikeresen kombináltuk ezeket a lépéseket, és laboratóriumi körülmények között képesek voltunk létrehozni egy mesterséges sejtet.” Hozzátette: „Most elkezdhetünk dolgozni azon a végső célunkon, hogy létrehozzunk egy olyan minimális sejtet, amely csak annyi gént tartalmaz, amely az életfenntartásához elengedhetetlenül szükséges. Ez közelebb vinne minket a sejt működésének megértéséhez.”

 

Ez a publikáció az eddigi legnagyobb adott szerkezetű mesterséges molekula megépítéséről szól; a genom majdnem kétszer akkora, mint a Mycoplasma genitalium előzőekben szintetizált genomja. Az elvi alapok sikeres bizonyítása után a csoport most nekilát a minimális genom megteremtésének, amely 1995 óta élő célkitűzés. Úgy tervezik, hogy apránként lefarigcsálják a mesterséges genomot és addig ismételgetik a transzplantációs kísérleteket, amíg több géntől már nem lehet megválniuk és a genom a lehető legkisebb méretet öltötte. Ez a minimális sejt szolgáltatja majd az alapot a sejt esszenciális génjei funkcióinak elemzéséhez.

 

Dr. Hutchison szerint „Számomra a mesterséges sejtünkkel kapcsolatban a leginkább figyelemre méltóbb, hogy a genomot számítógép tervezte, kémiai szintézis hozta életre, egyetlen darabka természetes DNS segítsége nélkül. Ehhez hozzá tartozott sok új és hasznos eljárás kifejlesztése is a munka során. Elképesztő kutatócsoportot gyűjtöttünk össze, nekik köszönhető az eredmény.”

 

Mint azt a csoport 2008-as cikkében, amelyben a M. genitalium genomjának mesterséges szintéziséról számolnak be, olvasható, hogy megterveztek és a genomba beépítettek úgynevezett vízjegyeket. Ezek specifikusan megszerkesztett DNS darabok, amelyek a gének és fehérjék „ábécéjének” segítségével lehetővé teszik a kutatónak, hogy szavakat és kifejezéseket betűzzenek ki. Ezek a vízjegyek elengedhetetlen bizonyítékai annak, hogy a genom mesterséges és nem természetes eredetű, valamint azonosítják a laboratóriumot, ahonnan származnak. A vízjegyekben kódolva van egy új DNS kód szavak, mondatok és számok írásához. Az új kód mellett van egy web cím is, ahova e-mailt lehet küldeni, ha valakinek sikerülne visszafejtenie az új kódot, a 46 szerző és további kulcsfontosságú közreműködő nevét és a három idézetet: „ÉLNI, HIBÁZNI, ELBUKNI, GYŐZEDELMESKEDNI, ÉLETET TEREMTENI ÉLETBŐL.” – James Joyce; „NEM ÚGY LÁTNI A DOLGOKAT AMILYENEK, HANEM AMILYENEK LEHETNÉNK.”-idézet az Amerikai Prometheus című könyvből; „AMIT NEM TUDOK MEGÉPÍTENI, NEM TUDOK MEGÉRTENI” – Richard Feynman.

 

A JCVI kutatói meglátása szerint az a tudás, amely az első szaporodásra képes mesterséges sejt megalkotásához vezetett, a DNS-szintetizálás költségeinek csökkentése mellett szárnyakat fog adni e kiemelkedő technológia széleskörű felhasználásához. Ez kétségkívül számos fontos alkalmazás és termékek kifejlesztéséhez fog vezetni, mint a bioüzemanyag, oltóanyagok, gyógyszerészeti termékek, tiszta víz és élelmiszerek terén. A kutatócsoport továbbra is részese és támogatója minden etikai párbeszédnek, amely a kedvező kimenetelt hivatott biztosítani a társadalom számára.

 

A kutatást a Synthetic Genomics Inc. finanszírozta, amelynek Dr. Venter és Dr. Smith is alapító tagjai.

 

 

Háttér

 

A mai nappal megjelentetett kutatási eredmények nem jöhettek volna létre a JCVI-ben korábban elért eredmények nélkül. 2007-ben a kutatócsoport egy cikkében natív M. mycoides genom M. capricolum sejtbe történő transzplantációjáról számolt be, amelynek következtében az M. capricolum átváltozott M. Mycoidesszé. Ez a munka alapozta meg azt a megközelítést, hogy a DNS az élet könyvtára és a DNS határozza meg a sejt fenotípusát.

 

2008-ban ugyanez a csoport arról számolt be, hogy sikeresen létrehozták az első mesterséges bakteriális genomot az élet négy vegyületéből – ACGT – előállított DNS fragmensek segítségével. A DNS-darabok végső összefűzése élesztő sejtben történt, az élesztő sejt genetikai rendszerének segítségével. Azonban mikor a kutatók megkísérelték a mesterséges baktérium genomot az élesztőből egy befogadó baktérium sejtbe transzplantálni, életképes sejteket nem sikerült nyerniük.

 

Etikai megfontolások: A mesterséges genom megértése és megépítésére irányuló kutatások kezdete óta Dr. Venter és kutatócsoportja tisztában volt a kutatásaik társadalmi vonatkozásaival is. 1995-ben, mikor a csoport a minimális genommal kapcsolatos kutatásokat folytatott, munkájuk alapos etikai átvilágításon esett át, amelyet a Pennsylvaniai Egyetem szakértő panelja végzett (Cho et al, Science December 1999:Vol. 286. no. 5447, pp. 2087 – 2090). A bioetikai csoport független véleménye ugyanakkor került nyilvánosságra, mint a minimális genom kutatásával kapcsolatos eredmények, és egyhangúan azt a következtetést vonták el, hogy nincs erős etikai ellen indok arra, hogy a kutatás folytatódjon mindaddig, amíg az érintett kutatók nem zárkóznak el a nyilvános vitától.

 

Dr. Venter és a JCVI kutatócsoportja továbbra is együttműködnek gazdaságpolitikai csoportokon kívül álló bioetikusokkal, jogalkotókkal és a nyilvánossággal, bátorítják az eszmecserét munkájuk társadalmi vonatkozásaival és általánosságban a mesterséges genomika kérdéskörével kapcsolatban. Emellett a JCVI, a Center for Strategic & International Studies (CSIS) és a Massachusetts Institute of Technology (MIT) részt vett egy, az Alfred P. Sloan Foundation által támogatott 20 hónapos kutatásban, amely ennek a fejlődőben levő technológiának kockázati tényezőit és jótékony hatásait volt hivatott feltárni, valamint javaslatot tettek olyan lehetséges biztonsági intézkedések bevezetésére, amelyekkel a visszaélések, mint a bioterrorizmus, lennének megelőzhetők. Számos workshop és nyilvános ülés után a csoport 2007 októberében adta ki a jelentést a tématerületet és az azon dolgozó kutatókat érintő lehetőségről.

 

 

További információk itt