Onderzoekers van het Engelse Medical Research Council Laboratory of Molecular Biology hebben met succes E. coli- bacteriën gemaakt met volledig door mensen gemaakt DNA, wat een mijlpaal is in het snel groeiende veld van synthetische biologie en de weg effent voor toekomstige innovatie op basis van zogenaamde 'designerbacteriën' .
Volgens een nieuwe studie gepubliceerd in het tijdschrift Nature, is het synthetische genoom verreweg het grootste in zijn soort. Het vernieuwde DNA is het product van een tweejarige onderzoekscampagne en bestaat uit vier miljoen segmenten - vier keer meer dan de vorige recordhouder. Misschien wel het meest indrukwekkend, de bacteriën bevatten slechts 61 codons, in tegenstelling tot de 64 in bijna alle levende wezens. Ondanks deze schijnbare ongelijkheid lijken de synthetische bacteriën veel op normale E. coli te functioneren . De belangrijkste verschillen, zoals Carl Zimmer van The New York Times meldt, zijn een lagere groeisnelheid en een langere lengte.
"Het was volkomen onduidelijk of het mogelijk was om een genoom zo groot te maken en of het mogelijk was om het zo veel te veranderen", vertelt co-auteur Jason Chin, een bioloog aan de Universiteit van Cambridge, tegen Ian Sample van de Guardian .
Maar zoals Tom Ellis, directeur van het Centre for Synthetic Biology aan het Imperial College London en recensent van de studie, Ryan Mandelbaum van Gizmodo uitlegt, hebben de inspanningen van het team uiteindelijk geresulteerd in een "tour de force" voor het veld: "Ze synthetiseerden, gebouwd en liet zien dat een synthetisch genoom van 4 miljoen basenparen zou kunnen werken, ”zegt Ellis. "Het is meer dan iemand eerder had gedaan."
Om een genoom te "hercoderen", moeten wetenschappers de 64 codons, of drielettercombinaties van de DNA-moleculen A, T, C en G manipuleren - kort voor adenine, thymine, cytosine en guanine - die alle levende organismen voeden. Omdat elk van de drie posities in een codon elk van de vier moleculen kan bevatten, zijn er in totaal 64 mogelijke combinaties (4 x 4 x 4). Deze combinaties komen op hun beurt overeen met specifieke aminozuren of organische verbindingen die de eiwitten vormen die nodig zijn voor het leven. TCA komt bijvoorbeeld overeen met het aminozuur serine, terwijl AAG lysine specificeert. TAA fungeert als een soort stopteken en signaleert het organisme om te stoppen met het toevoegen van aminozuren aan een zich ontwikkelend eiwit, legt Sharon Begley van STAT uit.
Dit reeds complexe proces heeft nog een ander voordeel: omdat er slechts 20 aminozuren zijn geassocieerd met de genetische code, kunnen meerdere codons overeenkomen met één zuur. Serine bijvoorbeeld is niet alleen gekoppeld aan TCA, maar AGT, AGC, TCT, TCC en TCG. Zoals John Timmer schrijft Ars Technica, de mismatch in aantal codons versus aminozuren maakt 43 codons grotendeels vreemd. Hoewel cellen deze extra sets gebruiken als stopcodes, regelgevende hulpmiddelen en efficiëntere paden naar de codering van een specifiek eiwit, blijft het feit dat velen overbodig zijn.
Bepalen hoe overbodig deze extra codons waren, kostte veel vallen en opstaan. Chin vertelt Begley: "Er zijn veel manieren waarop je een genoom kunt hercoderen, maar veel ervan zijn problematisch: de cel sterft."
Om het succesvolle synthetische genoom te creëren, hebben Chin en zijn collega's elk exemplaar van de serinecodons TCG en TCA vervangen door respectievelijk AGC en AGT. Het team verving ook elk TAG-codon, dat een stop signaleerde, door TAA. Uiteindelijk, merkt Zimmer van de New York Times, gebruikte het gehercodeerde DNA vier serinecodons in plaats van vier en twee stopcodons in plaats van drie. Gelukkig hoefden de wetenschappers dit werk niet met de hand te voltooien. In plaats daarvan maakten ze de 18.214 vervangingen door de E. coli- code als een enorm tekstbestand te behandelen en een zoek-en-vervang-functie uit te voeren.
Het overbrengen van dit synthetische DNA naar de bacteriën bleek een moeilijkere taak te zijn. Gezien de lengte en complexiteit van het genoom, was het team niet in staat het in één poging in een cel te introduceren; in plaats daarvan benaderden de wetenschappers het werk in fasen, waarbij het genoom nauwgezet in stukjes werd gebroken en het stukje bij beetje in levende bacteriën werd getransplanteerd.
De prestatie van de onderzoekers is tweeledig, zegt Chin in een interview met Antonio Regalado van MIT Technology Review . Het opnieuw ontworpen genoom is niet alleen een "technische prestatie", maar het "vertelt je ook iets fundamenteels over biologie en hoe kneedbaar de genetische code echt is."
Volgens het voorbeeld van de Guardian kan het onderzoek wetenschappers helpen virusresistente bacteriën te maken die zijn uitgerust voor gebruik in de biofarmaceutische industrie; E. coli wordt al gebruikt om insuline en medische stoffen te maken die kanker, multiple sclerose, hartaanvallen en oogziekten behandelen, maar dankzij de gevoeligheid van niet-synthetisch DNA voor bepaalde virussen kan de productie gemakkelijk worden gestopt.
Een andere belangrijke implicatie van het onderzoek betreft aminozuren. Zoals Roland Pease van BBC News schrijft, laat het E. coli- genoom het gebruik van 61 van de 64 mogelijke codons drie open voor herprogrammering, waardoor de deur wordt geopend voor "onnatuurlijke bouwstenen" die voorheen onmogelijke functies konden uitvoeren.
Finn Stirling, een synthetische bioloog aan de Harvard Medical School, die niet betrokken was bij het nieuwe onderzoek, concludeert met Zimmer: "In theorie kun je alles hercoderen."
