Venter - budowa życia ze sztucznej komórki

20 maja 2010 roku dr J. Craig Venter poinformował, że wraz ze swoim zespołem z instytutu JCVI (J. Craig Venter Institute) jako pierwszy w historii stworzył syntetyczną, żywą komórkę wyposażoną w zdolność samoreplikacji. Kontynuacja tych badań daje szansę rozwiązania wielu problemów współczesności, tworzenia nowych źródeł pożywienia i szczepionek, ograniczania zanieczyszczenia środowiska, poszukiwania nowych metod walki z chorobami nowotworowymi, tworzenia nowych źródeł energii, pozyskiwania czystej wody, czy naprawy uszkodzonych genów. Przez siedem lat kamery Discovery Science rejestrowały sukcesy, porażki i przełomowe momenty w pracy doktora Ventera oraz laureata Nagrody Nobla Hamiltona Smitha, doktora Clyde'a Hutchisona i uczonych z instytutu JCVI, którzy dążyli do usunięcia genów z organizmu jednokomórkowego i zastąpienia ich samodzielnie stworzonym kodem genetycznym.

Co tak naprawdę oznaczają te informacje dla człowieka? Dokąd nas zaprowadzą? Czy technologia ta może zostać zastosowana do niegodziwych celów, takich jak bioterroryzm? Jakim kwestiom etycznym powinniśmy się przyjrzeć się przed jej zastosowaniem?

Sekwencjonowanie bądź "odczytanie" całego genomu danego organizmu jest możliwe już od wielu lat i stało się czynnością dość rutynową. Pozwala ono uzyskać wiele informacji o danym organizmie. Do prawdziwego zrozumienia fundamentów życia potrzebna jest jednak umiejętność pisania kodu genetycznego. Taka właśnie idea przyświecała doktorom: J. Craigowi Venterowi, Hamiltonowi Smithowi oraz Clyde'owi Hutchisonowi, kiedy postawili sobie za cel stworzenie sztucznej komórki bakteryjnej. Praca ta ma swoje korzenie w publikacjach z 1995 i 1999 r. dotyczących bakterii Mycoplasma genitalium, jednak próby stworzenia pierwszej sztucznej komórki bakteryjnej rozpoczęły się na dobre dopiero w 2003 r.

1. Zespół instytutu JCVI zaprojektował specjalne kasety z DNA, które miało długość 1.080 par bazowych z zachodzącymi na siebie 80 parami bazowymi (pb) na końcach, co miało ułatwić budowę dłuższych odcinków DNA.

2. Zespół przeprowadził trójfazowy proces, używając drożdży do budowy genomu z użyciem 1.078 kaset o długości 1.080 pb. W pierwszej fazie wzięto za każdym razem 10 kaset DNA, aby zbudować segmenty o długości 10.000 pb każdy. W drugiej fazie wzięto za każdym razem 10 segmentów o długości 10.000 pb, aby zbudować jedenaście segmentów o długości 100.000

pb każdy. Ostatecznie 11 segmentów zostało złożonych w całkowity sztuczny genom w postaci dodatkowego chromosomu w komórce drożdży, za pomocą systemów genetycznych drożdży.

3. Całkowity sztuczny genom M. mycoides został następnie uwolniony z komórki drożdży i przeszczepiony w komórki odbiorcze M. capricolum, którym usunięto gen enzymu ograniczającego. Po inkubacji powstały zdolne do życia komórki M. mycoides, których jedyne DNA to sztuczny genom. Komórki te są kontrolowane jedynie przez sztuczne DNA.

1995: Po sekwencjonowaniu genomu M. genitalium (wyniki prac opublikowano w 1995 r.) dr Venter i jego koledzy rozpoczęli pracę nad projektem dotyczącym minimalnego genomu. Chodziło o poznanie minimalnych składników genetycznych potrzebnych do utrzymania życia. Prace zapoczątkowały badania nad M. genitalium, ponieważ jest to bakteria o najmniejszym znanym genomie, która może być hodowana w czystej kulturze. Wyniki tych prac opublikowano w czasopiśmie "Science" w 1999 r.

2003: Doktorzy Venter, Smith i Hutchinson (razem z Cynthią Andrews-Pfannkoch z JCVI) uzyskali pierwsze znaczące postępy na drodze do opracowania syntetycznego genomu poprzez złożenie genomu bakteriofagu phiX 174 liczącego 5.386 par bazowych. Dokonali tego, używając krótkich, pojedynczych nici sztucznie wyprodukowanego i dostępnego w sprzedaży DNA. Zespół opracował metody umożliwiające wytworzenie sztucznego bakteriofagu phiX w ciągu zaledwie 14 dni. Wyniki pracy zostały opublikowane w czasopiśmie "Proceedings of the National Academy of Sciences" (PNAS).

2007: Badacze z instytutu JCVI pod kierunkiem dr Carole Lartigue ogłosili w czasopiśmie "Science" wyniki prac, w których opisano metody i techniki zmiany jednego gatunku bakterii, M. capricolum, w drugi, M. mycoides, poprzez zastąpienie genomu jednego organizmu genomem pochodzącym z drugiego organizmu. Transplantacja genomu stanowiła pierwszy istotny krok na obszarze genomiki syntetycznej, ponieważ jest to kluczowy mechanizm, za pomocą którego chemicznie syntetyzowane chromosomy mogą być aktywowane w do życia komórkach.

Styczeń 2008 r.: Drugi sukces w pracach zespołu instytutu JCVI nad stworzeniem komórki kontrolowanej przez sztuczne DNA: Gibson i inni badacze opublikowali wyniki prac nad stworzeniem sztucznego genomu M. genitalium w piśmie "Science".

Grudzień 2008 r.: Gibson i inni opublikowali artykuł w czasopiśmie "Proceedings of the National Academy of Sciences" (PNAS), opisujący znaczące postępy w składaniu genomu, w wyniku których zespół był w stanie złożyć w rożdżach cały genom bakterii M. genitalium w jednym etapie z 25 fragmentów DNA.

2009: Badacze z instytutu JCVI opublikowali wyniki prac badawczych, opisujące nowe metody, w których cały genom bakterii M. mycoides został sklonowany w komórce drożdży. Ten zmieniony genom został następnie odizolowany od drożdży i przeszczepiony do spokrewnionego gatunku bakterii, M. capricolum, w celu stworzenia komórki M. mycoides nowego typu.

21 maja 2010 r.: Zespół ds. syntetycznej genomiki Instytutu JCVI, składający się z 25 badaczy pod kierunkiem J. Craiga Ventera, Hamiltona Smitha, Clyde'a Hutchisona, Johna Glassa i Dana Gibsona, opublikował w czasopiśmie "Science" wyniki badań opisujące pierwszą komórkę stworzoną w laboratorium z użyciem jedynie sztucznego DNA. Naukowcy opisali w jaki sposób umieścili chemicznie syntetyzowane części DNA M. mycoides w drożdżach, złożyli w nich genom bakterii, przeszczepili go do Mycoplasma capricolum i "uruchomili" w celu stworzenia nowej, sztucznej wersji M. mycoides.

Na razie udowodniliśmy, że nasza koncepcja byłą słuszna dla dwóch gatunków bakterii Mycoplasma. Musimy teraz sprawdzić, na ile można tę metodę działania wykorzystać na innych mikroorganizmach. Jak daleko można rozdzielić kod DNA od początkowego układu translacji białek w komórce. Prowadzimy już badania zmierzające do ustalenia, jak dalece te dwa układy mogą się różnić i na ile będzie to możliwe do powtórzenia w innych organizmach.

Na razie możemy tylko spekulować na ten temat, ale sądzę, że to bardzo potężne narzędzie, które daje nam okazję wykorzystania biologii do stworzenia produktów, które dotąd otrzymujemy z ropy naftowej, wydobywanej z Ziemi. Te dotychczas stosowane procesy szkodzą środowisku. Dobrze byłoby nauczyć się wytwarzać to, czego potrzebujemy bezpośrednio z dwutlenku węgla. Na razie nie znamy organizmów, które potrafią to robić w odpowiednio wydajny sposób. Wykorzystanie modyfikacji genetycznych które mogą prowadzić w przyszłości do tworzenia odpowiednich bioreaktorów, byłoby bardzo cenne. Stosunkowo szybki postęp może być związany z produkcją szczepionek. Nasza metoda może pomóc tworzyć je tak, jak jeszcze tego nikt nie robił. W ten sposób można skrócić czas między pojawieniem się nowej choroby, a produkcją szczepionki, co będzie miało istotne znacznie dla zdrowia publicznego....

Jako naukowiec, którego zespół stworzył te nową technologię mam nadzieję, że będzie ona miała pozytywny wpływ na naszą cywilizację. Na Ziemi żyje ogółem 6 miliardów 800 milionów ludzi. Wkrótce będzie nas 9 miliardów. W tej chwili nie znamy sposobu, by zapewnić żywność, czystą wodę, lekarstwa i paliwo dla 6.8 miliarda, w jaki sposób mielibyśmy to zrobić bez niszczenia naszej planety, gdy będzie nas więcej. Potrzebujemy nowych odkryć naukowych, nowych technologii. Jestem optymistą, uważam, że nasze odkrycie będzie miało w tym swój udział. Co do etycznego aspektu tego odkrycia, sądzę, że to pytanie natury filozoficznej. Myślę, że znacznie zbliżyliśmy się do poznania podstaw życia i tego, w jaki sposób DNA, kod genetyczny, jak software w komputerze narzuca formę życia tym bakteriom. My wszyscy na naszej planecie jesteśmy życiem opartym na DNA i myślę, że im lepiej będziemy rozumieli jego mechanizm, tym lepiej poznamy naszą dotychczasową ewolucje i - filozoficznie mówiąc - do czego zmierzamy.

Na podstawie materiałów Discovery Science