כרומוזום מעשה ידי אדם הוא קפיצת מדרגה ענקית לעבר חיים סינתטיים

חלק מהתוכנית הגנטית של שמרים נוצרה והורכבה מאפס, מה שסלל את הדרך לאורגניזמים "מעצבים" שיכולים לייצר תרופות חדשות, מוצרי מזון ודלק ביולוגי, אומרים היוצרים.

החוקרים לקחו קטעים זעירים של DNA מעשה ידי אדם וחברו אותם יחד כדי ליצור גרסה סינתטית של כרומוזום, המבנה שמכיל DNA בתוך תאים, משמרי בירה. היכולת ליצור כרומוזומים כאלה היא צעד מרכזי לתחום שלביולוגיה סינתטית, שמטרתו להנדס חיידקים כדי לייצר מוצרים שימושיים. העבודה גם מקרבת את המדענים ליצירת צמחים ובעלי חיים סינתטיים.

"בשבילי, אחד ההיבטים המרגשים ביותר הוא העובדה שערכנו באופן כה נרחב את רצף הכרומוזומים הטבעיים ולאחר מכן סיננתזנו את כל העניין מאפס", אמר מוביל המחקר ג'ף בוקה, ביולוג סינתטי במרכז הרפואי NYU Langone, אשר היה בעבר באוניברסיטת ג'ונס הופקינס.

Boeke היה מוביל המחקר שפורט ב-27 במרץ בכתב העת Science.

בני אדם קודם כלשמרים מבויתיםעבור יין ואלכוהול אחר בימי הסהר הפורה (לפני כ-4,000 שנה), ומאז השתמשו בו להכנת לחם, יין ובירה, אמר Boeke ל- Live Science. כיום, הוא אמר, הפטרייה משמשת גם לייצור חיסונים, תרופות ודלק ביולוגי, והיכולת ליצור שמרים בהתאמה אישית תספק שימוש גם לתעשיית הביוטק.

בניית שמרים

כדי ליצור את הכרומוזום המלאכותי, בוקה וצוותו השתמשו בתוכנת מחשב כדי לעצב גרסה שונה של כרומוזום שמרים III, שהם כינו synIII, ושילבו אותו לתוךשמרי בירה(Saccharomyces cerevisiae). הם בחרו בכרומוזום הזה מכיוון שהוא הקטן ביותר מבין 16 הכרומוזומים של השמרים, השולט באופן שבו התאים מזדווגים וחווים שינויים גנטיים.

לקח לחוקרים שבע שנים לתפור את הכרומוזום הסינתטי מפיסות DNA. שפת ה-DNA מורכבת מארבע "אותיות" - A, T, G ו-C - היוצרות קשרים הנקראים זוגות בסיסים. כרומוזום synIII מכיל 272,871 זוגות בסיסים, מעט פחות מ-316,617 זוגות בסיסים בכרומוזומים של שמרים מקומיים, או שמרים טבעיים שעליהם מבוסס המדומה. סטודנטים לתואר ראשון באוניברסיטת ג'ונס הופקינס ביצעו חלק גדול מהעבודה בחיבור של חלקים קצרים של DNA למקטעים ארוכים יותר, כחלק מפרויקט כיתתי, וכמה מהסטודנטים לשעבר הללו היו מחברים שותפים במחקר.

הצוות של Boeke ביצע יותר מ-500 שינויים בגנום המקומי, הסיר קטעים חוזרים ונשנים ומה שנקרא "דנ"א זבל"(לא ידוע כמקודד חלבונים, המולקולות שמבצעות משימות חיוניות בתוך התאים) כולל מה שנקרא גנים קופצים, שמסתובבים באקראי בכרומוזום. החוקרים גם הוסיפו תגיות ל-DNA כדי לתייג אותו כמקורי או סינתטי.

הכרומוזום המושלם היה "נורמלי להפליא", אמר בוקה, והוסיף כי השמרים עם ה-DNA הסינטטי "מתנהגים כמעט זהה לתאי שמרים פראיים".

באמצעות טכניקה המכונה "ערבול", המדענים יכולים לערבב את הגנים של השמרים כמו חפיסת קלפים. החוקרים יכלו לייצר מיליוני ומיליוני חפיסות שונות של קלפים גנטיים, שיוכלו להעניק לשמרים תכונות חדשות לחלוטין.

לדוגמה, חוקרים יכולים לייצר זנים סינתטיים של שמרים כדי לייצר תרופות נדירות כגוןתרופת מלריה ארטמיסינין, או חיסונים כמו חיסון הפטיטיס B. שמרים סינתטיים יכולים גם להפיק דלק ביולוגי יעיל יותר, כמו אלכוהול, בותנול או ביו-דיזל, מה שיכול לאפשר לאנושות לעבור מכלכלת נפט, אמר בוקה.

בנוסף ליישומים מעשיים, ניתן להשתמש בשמרים סינתטיים כדי ללמוד כיצד גנים שונים פועלים ופועלים באינטראקציה, כדי להבין כיצד רשתות של גנים משפיעות על התנהגות, הוסיפו החוקרים.

גנומים של מעצבים

בשנים האחרונות, מדענים יצרו כרומוזומים סינתטיים מחיידקים ווירוסים, אבל זו הפעם הראשונה שמישהו בנה כרומוזום מאיקריוט, אורגניזם שלתאים שלו יש גרעינים.

קרייג ונטר וצוותו במכון ג'יי קרייג ונטר, שיצרו אתהחיידק הסינטטי הראשוןב-2010, שיבח את ההישג החדש.

"עבודה זו היא עוד דוגמה יוצאת דופן לאופן שבו ניתן להשתמש בביולוגיה סינתטית כדי לשכתב רצפי כרומוזומים בקנה מידה גדול", אמרו ונטר ועמיתיו (שלא היו מעורבים במחקר) בהצהרה. המחקר יוביל להבנה טובה יותר של כללי המבנה וההתנהגות של הגנום בשמרים - "אחת ממערכות המודל החשובות ביותר להבנת תהליכים ביולוגיים", הוסיפו.

בסופו של דבר, החוקרים מתכננים לסנתז גנום שמרים שלם עם כל 16 הכרומוזומים. הצוות של Boeke מתכנן לסנתז כרומוזומים גדולים יותר, ולעשות זאת מהר יותר וזול יותר.

למרות התועלת שלה, העבודה מעלה שאלות לגבי אתיקה של יצירהגנומים מעשה ידי אדם, במיוחד באורגניזמים מורכבים יותר כמו בעלי חיים.

"תמיד יהיו אתגרים לרעיונות חדשים ולדרכים חדשות לעשות דברים, וחששות - חלקם לגיטימיים מאוד - בענייני בטיחות", אמר בוקה. אבל בני אדם מהנדסים צמחים ובעלי חיים במשך זמן רב, החל מגידול סלקטיבי למינים מהונדסים, הוא הוסיף.

נכון לעכשיו, העלות של סינתזה של כרומוזומים היא גבוהה באופן בלתי אפשרי, אבל זה יכול להשתנות אם הטכנולוגיה תשתפר, אמר Boeke. הוא צופה שמיני-כרומוזומי מעצבים יפותחו תחילה, תוך התבססות על ריפוי גנטי, המבקש לטפל במחלות על ידי החלפת גנים פגומים בגנים פונקציונליים.