Manusia telah menggunakan apa yang mereka ketahui tentang dunia biologi untuk membuat barangan selama berabad-abad-dari bir kepada antibiotik. Tetapi, bagaimana jika anda dapat memanipulasi dunia itu pada tahap genetik yang sangat asas untuk membuat sesuatu yang anda perlukan? Pemrograman sel untuk menghasilkan ubat, menjana tenaga, atau menyerang patogen dalam tubuh seolah-olah seperti bahan fiksyen sains, tetapi itulah yang dijanjikan bidang biologi sintetik.
Kandungan Terkait
- Rasa Jurutera Dapat Membuka Pasaran Painkiller DIY
- Bolehkah Panda Poop Menjadi Rahsia untuk Lebih Baik Biofuel?
- Rumpai Laut Selatan
- Big Brew-ha-ha: Para Ilmuwan Temui Yeast Wild Lager
Pada tahap yang sangat asas, biologi sintetik semacam membina struktur kompleks dari Legos. Sama seperti jurutera Lego mesti memikirkan bagaimana semua blok-blok kecil itu bersesuaian, saintis perlu memikirkan unsur-unsur genetik yang mereka perlukan dan bagaimana elemen-elemen tersebut sesuai untuk membina struktur biologi ini, sama ada gen, laluan yang melibatkan beberapa gen, atau bahkan kromosom penuh-satu struktur yang mengandungi beratus-ratus gen.
Selama tujuh tahun yang lalu, satu pasukan penyelidik antarabangsa telah memikirkan cara membina kromosom yis dari bawah. Sekarang, mereka telah berjaya membina dan mengintegrasikannya ke dalam sel yis yang hidup. Kerja mereka, yang diterbitkan hari ini dalam Sains, menandakan kemajuan yang ketara dalam bidang biologi sintetik-dan langkah berhati-hati ke arah keupayaan untuk mencipta genom berjenama untuk tumbuh-tumbuhan dan haiwan.
"Ia adalah kromosom yang paling banyak dibina yang pernah dibina, tetapi tonggak yang benar-benar penting adalah mengintegrasikannya ke dalam sel yis yang hidup, " kata Jef Boeke, ahli genetik di Pusat Perubatan Langone NYU dan seorang pengarang bersama kajian itu dalam satu kenyataan.
Mengapa ragi? Untuk satu perkara, manusia mempunyai hubungan yang panjang dengan kulat. Ragi Brewer ( Saccharomyces cerevisiae ) telah digunakan untuk membuat bir dan memanggang roti sejak zaman purba. Hari ini, bidang bioteknologi industri moden mula menggunakan yis untuk membuat vaksin, ubat-ubatan, dan biofuel. Dalam makmal biologi moden, ragi juga merupakan organisma model kerana sel-selnya berfungsi sama seperti sel-sel manusia. Kedua-dua manusia dan ragi adalah eukariota, yang bermakna sel-sel mereka mengandungi hab pusat yang dipanggil nukleus yang menyimpan DNA dalam kromosom luka yang ketat. Akibatnya, kita tahu banyak mengenai biologi ragi dan genetik.
Ahli genetik Jef Boeke meneliti seperempat koloni ragi yang mengandungi versi sintetik kromosom tertentu (Foto: NYU Langone) Bagi organisma tanpa nukleus sel, biologi sintetik telah menghasilkan keseluruhan genom, walaupun. Para saintis telah merekayasa dan mengeluarkan semula virus selama satu dekad. Pada tahun 2008, penyelidik di Institut J. Craig Venter di Maryland membina genom bakteria penuh dan telah menghasilkan organisme hidup pertama dengan genom sintetik (bakteria sel tunggal). Tetapi seperti genom mikroba hanya mengandungi satu kromosom, sedangkan manusia mempunyai 23 pasang dan yis bir mempunyai 16. Mempunyai begitu banyak gen dalam permainan boleh bermakna banyak lagi variabiliti, supaya tweaking satu gen dapat mempunyai implikasi jauh di seluruh genom.
Salah satu kromosom yis, misalnya, mengandungi gen untuk jenis mengawan yis (sejenis jenis jantina) yang mana sendiri mengawal beberapa gen lain merentasi genom. Itu menjadikannya titik permulaan yang menarik bagi Boeke dan rakan-rakannya. Pada komputer, mereka merancang apa yang mereka mahu versi sintetik kromosom ini kelihatan seperti itu. Kemudian di Johns Hopkins University di Baltimore, pasukan Boeke memerlukan DNA, jadi dia mula mendaftar bantuan pelajar sarjana melalui kursus "Build-A-Genome" pada tahun 2007. Pelajar-pelajar menjalin bersama-sama nukleotida, sebatian yang membentuk helai DNA, coretan urutan genetik atau "blok bangunan".
Untuk melekatkan blok-blok bangunan ke dalam "minichunks" yang lebih besar, para penyelidik menggunakan rawatan enzim yang berlainan dan juga menggunakan jentera pemasangan genetik ragi sendiri. Akhirnya, mereka memanfaatkan kecenderungan yis untuk merombak kepingan DNA ke dalam genomnya sendiri untuk dikumpulkan, dipotong oleh sebahagian. Akhirnya, yis menggantikan kromosom asal yang dipilih dengan versi sintetik. Boeke menyamakan keseluruhan proses untuk membina sebuah buku: anda bermula dengan membuat kata-kata, kemudian perenggan, halaman, bab, dan akhirnya buku itu sendiri.
Sebaik sahaja mereka membinanya, Boeke dan rakan-rakannya ingin menguji fungsi kromosom sintetik dalam sel-sel yis. Para penyelidik telah menubuhkan kromosom untuk memasukkan penanda khas pada gen yang dianggap tidak penting - penanda dicipta supaya mereka dapat dicetuskan oleh enzim untuk berebut, menghapus, atau menduplikasi gen.
Pasukan kemudian mencetuskan penanda secara sistematik untuk membuat lebih daripada 50, 000 perubahan kepada kromosom sintetik pada titik tertentu dalam perniagaan berisiko kod kerana perubahan rawak dengan mudah boleh membunuh sel yis. "Ia adalah kromosom yang sangat disunting, " kata Boeke. Apabila mereka menukar atau menghapus gen, beberapa sel berkembang dengan lebih baik daripada yang lain dalam pelbagai keadaan, tetapi semua sel berkembang.
Selanjutnya, tidak kira bagaimana penyelidik menyesuaikan keadaan yang semakin meningkat, sel-sel dengan kromosom sintetik masih menanam jajahan ragi. "Walaupun semua perubahan ini, kita sebenarnya telah mendapat ragi yang kelihatan seperti ragi, bau seperti ragi, dan membuat alkohol seperti ragi, kata Boeke." Kami tidak boleh membezakannya secara berasingan, tetapi ia begitu berbeza. "Ini bermakna bahawa genom ragi-sekurang-kurangnya bahagian-bahagian yang dicetuskan oleh para penyelidik-adalah sangat berdaya tahan dan dapat menangani banyak mutasi, suatu penemuan yang cukup mengesankan dari perspektif kejuruteraan genetik.
Satu peta kromosom yis pereka yang dibina oleh Boeke dan rakan-rakannya. (Imej: Boeke et al.) "Kerja ini melaporkan kromosom eukariotik pereka pertama yang telah disintesis dari awal, yang merupakan langkah penting ke arah pembinaan genom eukaryotic pereka. Ia membuka pintu untuk menangani banyak soalan saintifik dan teknikal, "kata Huimin Zhao, seorang jurutera biomolekul di University of Illinois di Urbana-Champaign.
Sebagai contoh, kromosom sintetik yang dibuat oleh pasukan Boeke adalah 14 peratus lebih kecil daripada kromosom biasa yang mereka cuba duplikat. Oleh itu, apakah genom terkecil yang perlu membuat sel yis berfungsi? Berdasarkan kaedah yang digunakan di sini, mereka boleh mula menguji soalan-soalan dalam makmal. Dan walaupun jalur penyelidikan berlimpah, Boeke mengatakan bahawa langkah berikutnya untuk timnya akan menggunakan teknik ini untuk mensintesis keseluruhan genom ragi.
Selepas mensintesis genom, penyelidik boleh, secara teori, menggunakan penanda untuk mengubah taraf gen yang berbeza pada skala yang lebih besar. Ini boleh membenarkan mereka menyesuaikan sel yis dengan genom sintetik sesuai untuk tujuan tertentu.
Sebagai contoh, sesetengah firma bioteknologi telah memasukkan gen ke dalam sel-sel yis yang cepat mereplikasi untuk menghasilkan sejumlah besar versi sintetik artemisinin dadah malaria, dan kejuruteraan genom pereka boleh meningkatkan proses pembuatan. Bagaimana kejuruteraan genom pereka meningkatkan proses pengeluaran? Apakah ubat-ubatan baru yang boleh dibuat dengan yis khusus yang disesuaikan? Atau pada tahap yang kurang altruistik, apa jenis bir baru? Sama ada anda sedang mencari untuk merawat penyakit manusia atau hanya mahu sejuk yang memuaskan pada penghujung hari, biologi sintetik kini semakin dekat untuk membantu anda.
