Synthetisches Genom startet Zelle neu

Am Ende eines 15-jährigen Projekts haben Wissenschaftler der J. Craig Venter Institut haben die erste Zelle konstruiert, die von einem synthetischen Genom kontrolliert wird.

Von Anfang an anfangen: Wissenschaftler starteten Bakterienzellen neu, indem sie eine im Labor hergestellte synthetische Version des Genoms von Mycoplasma mycoides transplantierten. Das synthetische Genom enthält ein Markergen, das eine blaue Verbindung herstellt, sodass die synthetischen Zellen blaue Kolonien bilden (oben). Dem natürlich vorkommenden Genom von M. mycoides fehlt dieses Gen, sodass die Wildtyp-Zellen weiße Kolonien bilden (unten).

Dies ist das erste Mal, dass die Informationen einer Genomsequenz wieder in Leben umgewandelt werden, sagt Chris Voigt , einem synthetischen Biologen an der University of California, San Francisco, der nicht an dem Projekt beteiligt war. Es ist wirklich bemerkenswert.



Mit einer 2008 entwickelten Methode synthetisierten die Forscher um den Genom-Pionier Craig Venter das Genom eines winzigen Bakteriums namens Mykoplasmen-Mykoide , mit etwas mehr als einer Million DNA-Basenpaaren. Als nächstes transplantierten sie das synthetische Genom in ein verwandtes Bakterium, Mycoplasma Capricolum , in einem Prozess, den sie zuvor mit nichtsynthetischen Chromosomen perfektioniert hatten.

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Nachdem die Empfängerzellen das synthetische Genom eingebaut hatten, begannen sie sofort, die im Genom kodierten Anweisungen auszuführen. Nur die Zellen hergestellt M. mycoides Proteine ​​und innerhalb weniger Runden der Selbstreplikation waren alle Spuren der Empfängerspezies verschwunden. Die Ergebnisse waren veröffentlicht Donnerstag in der Online-Ausgabe des Journals Wissenschaft .

Um ihr synthetisches Genom von der natürlich vorkommenden Version zu unterscheiden, kodierten die Forscher eine Reihe von Wasserzeichen in die Sequenz. Sie begannen mit der Entwicklung eines Codes zum Schreiben des englischen Alphabets sowie von Satzzeichen und Zahlen in die Sprache der DNA – ein Entschlüsselungsschlüssel ist in der Sequenz selbst enthalten. Dann schrieben sie ihren Namen, ein paar Zitate und die Adresse einer Website ein, die Leute besuchen können, wenn sie den Code erfolgreich knacken.

In Bezug auf die Schaffung synthetischen Lebens ist dieses Projekt ein Grundsatzbeweis: Abgesehen von den Wasserzeichen und einer Handvoll Gendeletionen, um die Krankheitsfähigkeit der Art zu reduzieren, stellt das synthetische Genom im Wesentlichen ein natürlich vorkommendes nach. Venter hofft, dass mit der synthetischen Genomtechnologie in Zukunft ganz neue Organismen mit vielfältigen praktischen Anwendungen entworfen und entwickelt werden können.

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Venter und seine Kollegen arbeiten mit Novartis und die National Institutes of Health, um Kassetten – Cluster von Genen, die in ein synthetisches Genom eingefügt werden könnten – für jedes bekannte Grippevirus zu synthetisieren, um den Herstellungsprozess von Impfstoffen zu rationalisieren. Sie stellen sich ein System vor, bei dem, wenn ein neuer Stamm wie H1N1 auftaucht, die Entwicklung eines Impfstoffs so einfach wäre, wie die Gene, die die relevanten Virusfragmente kodieren, in ein synthetisches Genom umzuwandeln. Dies könnte dann eine Zelle ergeben, die verwendet werden könnte, um das Produkt schnell herzustellen.

Die Forscher kooperieren auch mit ExxonMobil Algenzellen zu lebenden Brennstofffabriken umzubauen, die Kohlendioxid effizient in Kohlenwasserstoffe umwandeln, die in Raffinerien verarbeitet werden könnten. Wir konnten keine bestehenden Zellen finden, die diesen Prozess effizient genug durchführen, um ihn wirtschaftlich rentabel zu machen, sagt Venter.

Andere potenzielle Anwendungen umfassen die Entwicklung synthetischer Mikroben, die Wasser reinigen oder Chemikalien oder Lebensmittelzutaten herstellen könnten. Ich sage voraus, dass innerhalb eines Jahrzehnts jede Zelle, die in industriellen Prozessen verwendet wird, synthetisch hergestellt wird, sagt Venter.

Zu diesem Zweck wollen die Forscher schließlich eine Art universelle Empfängerzelle entwickeln, die jedes Spendergenom hochfahren könnte. Der Transplantationsprozess hat sich als der technisch anspruchsvollste Aspekt beim Aufbau einer synthetischen Zelle erwiesen, sagt Venter, und es wäre ideal, eine neue Runde der Fehlersuche für jedes neu entwickelte System zu vermeiden.

Laut Voigt besteht derzeit die größte Hürde bei der Realisierung des Potenzials der synthetischen Genomik in der Lücke zwischen unserer Fähigkeit, DNA zu synthetisieren und unserer Fähigkeit, sie zu entwerfen. Das werde die nächste Generation der Forschung sein, sagt er. Die Technologie rund um den Aufbau von DNA ist jetzt ausgereift, und es wird der Werkzeugkasten sein, um sie zu entwerfen, der als nächstes kommt.

Über die praktische Anwendung hinaus hofft Venter auch, dass synthetische Zellen dazu beitragen werden, die Grundlagen des Lebens aufzuklären und es den Forschern möglicherweise ermöglichen, genau zu entschlüsseln, was jede Komponente einer Bakterienzelle tut. Obwohl inzwischen die Genome unzähliger Organismen sequenziert wurden, sagt Venter, verstehen wir noch nicht ganz, wie selbst die einfachsten Lebensformen funktionieren. Wir wollen versuchen, eine dieser Zellen zum bestverstandenen Zellsystem in der Biologie zu machen, sagt er.

Venter weist auch darauf hin, was die Zellen – angetrieben von Genomen, die in einem Labor aus vier Chemikalienflaschen hergestellt wurden, basierend auf Anweisungen, die auf einem Computer gespeichert sind – über das Leben verraten. Dies sei sowohl ein philosophischer als auch ein technologischer Fortschritt, sagt er. Die Vorstellung, dass dies möglich ist, bedeutet, dass Bakterienzellen softwaregesteuerte biologische Maschinen sind. Wenn Sie die Software ändern, bauen Sie eine neue Maschine. ich bin immer noch erstaunt darüber.

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Die Entwicklung unterstreicht die Tatsache, dass wir uns aus der Zeit herausbewegen, in der Zellen und DNA physisch von einem Ort zum anderen transferiert werden müssen, sagt Voigt, hin zu einer Zeit, in der Biologie eine Informationswissenschaft ist. Es wäre nun möglich, das Genom eines Organismus in San Francisco zu sequenzieren, die Sequenz im ganzen Land per E-Mail zu verschicken und diesen Organismus in einem Labor in Maryland zu erschaffen. Allein die Informationen können diesen Organismus rekonstruieren und wieder zum Leben erwecken, sagt Voigt.

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