Sintetinė genomika: dirbtinių genomų kūrimas, metodai ir taikymai

Sintetinė genomika: dirbtinių genomų kūrimas, inovatyvūs metodai ir realūs taikymai medicinoje, biotechnologijose ir pramonėje — naujos galimybės ir etinės dilemos.

Sintetinė genomika yra genų inžinerijos kryptis, kurios tikslas – kurti ir projektuoti visus organizmų paveldimos informacijos lygmenis: nuo atskirų genų iki pilnų genomų. Skirtingai nuo tradicinės genų inžinerijos, kuri dažnai remiasi natūraliai egzistuojančiais genais, sintetinėje genomikoje gali būti panaudojami visiškai pagal užsakymą sukurti arba modifikuoti genetiniai elementai, įskaitant sintetinę bazinių porų seką ir net alternatyvius genetinius kodus, kurie nebūtinai grindžiami įprasta DNR dvikopės bazinių porų sistema.

Metodai

Sintetinėje genomikoje taikomi pažangūs genetikos ir molekulinės biologijos metodai, taip pat stiprūs skaičiavimo įrankiai ir baltymų struktūros modeliavimas (baltymų lankstymo idėjos). Pagrindiniai metodai ir technologijos apima:

• Oligonukleotidų sintezė: trumpų DNR/RNR fragmentų (oligonukleotidų) gamyba, kurie vėliau naudojami ilgesnių sekų montavimui.
• Fragmentų surinkimas ir montavimas: metodai, tokie kaip Gibson assembly, Golden Gate, ir mielių homologinė rekombinacija, leidžia sujungti daug mažų fragmentų į didelius genominius segmentus.
• Yeast-based assembly: naudojant mieles kaip „surinkimo įrankį“ galima sudėti labai dideles DNR molekules iš sintetinių ir natūralių fragmentų.
• Genomo redagavimas ir transplantacija: išgautas arba sintetiškai pagamintas genomas galima integruoti arba transplantuoti į priimančią ląstelę, kad būtų patikrintas jo veikimas.
• Skaitmeninis projektavimas ir modeliavimas: kompiuterinės priemonės optimizuoja genų struktūras, reguliacinius elementus ir baltymų sekas prieš jų fizinę sintezę.
• Alternatyvios nukleininės rūgštys (XNA) ir išplėstinis genetinis kodas: tyrimai siekia kurti naujas bazes arba kodavimo schemas, kurios galėtų suteikti naujas chemines ir funkcines galimybes.

Šiuolaikinės technologijos leidžia pigiai ir tiksliai gaminti ilgas bazinių porų grandines dideliu mastu, todėl galima eksperimentuoti su gamtoje neegzistuojančiais genomais. Tyrėjai taip pat integruoja baltymų lankstymo skaičiavimus, kad prognozuotų, kaip sintetiniai genai elgsis ląstelėje.

Venterio grupė, rekombinuodama 25 persidengiančius fragmentus, sudarė pusiau sintetinį Mycoplasma genitalium bakterijos genomą. Tai buvo atlikta vienu etapu:

"Naudojant mielių rekombinaciją labai supaprastinamas didelių DNR molekulių surinkimas tiek iš sintetinių, tiek iš natūralių fragmentų".

Genetikai sukūrė pirmąją sintetinę mielių chromosomą. Originalios chromosomos genai buvo pakeisti sintetinėmis versijomis, o pagaminta chromosoma buvo sėkmingai integruota į mielių ląstelę.

Šioje srityje itin aktyviai dirba J. Craigo Venterio institutas, kurį pradėjo ir kuriame dalyvauja tokie mokslininkai kaip Hamiltonas Smitas, Kreigas Venteris ir Klaidas A. Hutchisonas III. Kitos komercinės iniciatyvos, pavyzdžiui, įmonės, tokios kaip „Synthetic Genomics“, buvo įkurtos siekiant komercializuoti pritaikytų genomų panaudojimą.

Taikymai

Sintetinė genomika turi daug potencialių praktinių pritaikymų:

• Bioprodukcija: mikroorganizmai, pritaikyti gaminti biokurą, chemines medžiagas ar biopolimerus.
• Farmacija ir vakcinos: optimizuoti mikroorganizmai ar išgauti baltymai, vakcinų antigenai ir terapiniai baltymai.
• Minimalūs ir „projektuoti“ genomai: supratimas, kokie genai būtini gyvybei ir kaip sukurti dirbtinius mikroorganizmus su pageidaujamomis savybėmis.
• Aplinkos valymas: sintetiniai mikroorganizmai, skirti teršalų skaidymui ar specifinių medžiagų pašalinimui iš aplinkos.
• Biologiniai sensoriai ir diagnostika: genetiškai programuotos ląstelės, reaguojančios į tam tikrus signalus ar medžiagas.
• Naujos biologinės funkcijos: išplėstinis genetinis kodas arba XNA gali suteikti atsparumą virusams, naujas katalitines savybes ar saugesnį biologinį izoliavimą (xenobiologija).

Rizikos, etika ir reguliavimas

Nors sintetinė genomika atveria daug galimybių, ji taip pat kelia rimtų saugumo ir etinių klausimų:

• Dvigubos paskirties (dual-use) rizika: technologijos gali būti panaudotos tiek naudingiems, tiek žalingiems tikslams.
• Biologinis saugumas ir biologinė apsauga: reikia užtikrinti tinkamas laboratorines sąlygas, kontrolę ir stebėseną, kad būtų išvengta netyčinio ar tyčinio pavojaus.
• Ekologinės pasekmės: išleistos ar pabėgusios sintetinės gyvybės formos gali paveikti natūralias ekosistemas.
• Etiniai ir socialiniai klausimai: klausimai dėl patentų, prieigos prie technologijų, atsakomybės už sukurtą gyvybę ir visuomeninės priimtinumo.

Dėl to mokslininkai, reguliavimo institucijos ir visuomenės grupės darbuojasi kurdami gaires, pajėgumus saugumui ir tarptautinį bendradarbiavimą, kad technologija būtų vystoma atsakingai.

Ateities kryptys

Artimiausioje ateityje galima tikėtis:

• dar pigesnės ir greitesnės DNR sintezės bei montavimo technologijos;
• sudėtingesnių ir didesnių sintetinių genomų kūrimo;
• plačios komercinės adaptacijos biotechnologijų, farmacijos ir energetikos sektoriuose;
• tolimesnio darbo su alternatyviais genetiniais kodais ir XNA, kurie gali suteikti naujų funkcijų ir padidinti biologinį saugumą;
• griežtesnių tarptautinių reguliavimo mechanizmų ir etikos standartų diegimo.

Sintetinė genomika – greitai besivystanti sritis, su dideliu moksliniu ir pramoniniu potencialu, tačiau jos pažangą lydėti turi atsakingas požiūris į saugumą, etiką ir visuomenės interesus.

Klausimai ir atsakymai

K: Kas yra sintetinė genomika?

K: Kaip veikia sintetinė genomika?

Klausimas: Kas vadovauja šios srities moksliniams tyrimams?

K.: Ką iki šiol pasiekė Venterio grupė?

Klausimas: Ar yra kokių nors komercinių pritaikymų pagal užsakymą sukurtiems genomams?

K.: Kokius eksperimentus galima atlikti naudojant sintetinę genomiką?

Paieška pagal raidę