Εδώ και 15 χρόνια, μια διεθνής ομάδα ερευνητών προσπαθεί να δημιουργήσει ένα είδος Saccharomyces cerevisiae –έτσι ονομάζεται επιστημονικά ο μύκητας της μαγιάς αρτοποιίας– που ελέγχεται εξ ολοκλήρου από γενετικές οδηγίες σχεδιασμένες στον υπολογιστή.
Στόχος είναι να ξαναγραφτεί το DNA του ζυμομύκητα και να διερευνηθεί στη συνέχεια εάν με τις ίδιες τεχνικές θα μπορούσε να επιχειρηθεί αναδιατύπωση τμημάτων του ανθρώπινου γονιδιώματος για την καταπολέμηση ασθενειών.
Οπως γράφουν οι Times του Λονδίνου, ύστερα από όλα αυτά τα χρόνια οι επιστήμονες είναι έτοιμοι να δημιουργήσουν τον πιο προηγμένο «συνθετικό» οργανισμό που έχει κατασκευαστεί ποτέ, μια μονοκύτταρη μορφή ζωής που σχεδιάστηκε σε υπολογιστή και μπορεί να σηματοδοτήσει την έναρξη μιας νέας εποχής στη γενετική μηχανική.
Εχει παραχθεί ο απαιτούμενος κώδικας DNA, ο οποίος διαφέρει ριζικά από οποιονδήποτε υπάρχει στη φύση, και μέσα στον επόμενο χρόνο αναμένονται τα πρώτα ζωντανά κύτταρα.
«Καταφέραμε να προχωρήσουμε, από την κατασκευή μιας χούφτας γονιδίων, στον σχεδιασμό ολόκληρου γονιδιώματος» λέει στους Times o καθηγητής Patrick Yizhi Cai, από το Πανεπιστήμιο του Μάντσεστερ, από τους κύριους συμμετέχοντες στην ερευνητική ομάδα.
Οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν για πρώτη φορά υπολογιστές προκειμένου να «επανασχεδιάσουν» τη γενετική της μαγιάς: αφαίρεσαν επαναλαμβανόμενα τμήματα DNA που φαινόταν να μην εξυπηρετούν καμία λειτουργία και έκαναν μια σειρά από τροποποιήσεις. Στη συνέχεια, κλώνοι DNA κατασκευάστηκαν από ακατέργαστες χημικές ουσίες στο εργαστήριο και εγχύθηκαν στα κύτταρα του ζυμομύκητα, όπου αντικατέστησαν τμήματα του φυσικού DNA.
Στη μαγιά, το DNA χωρίζεται σε 16 χρωμοσώματα, τα οποία τώρα έχουν ξαναγραφτεί. Εχει δημιουργηθεί ένα ζωντανό κύτταρο στο οποίο περισσότερο από το 50% του γενετικού υλικού είναι συνθετικό. Σύμφωνα με τον καθηγητή Tom Ellis, του Imperial College του Λονδίνου, που επίσης μετείχε στην έρευνα, αναμένεται ένα εξ ολοκλήρου συνθετικό κύτταρο εντός 12 μηνών. Αυτό θα συμβεί κατά τη διαδικασία αναπαραγωγής του κυττάρου, με τους «απογόνους» του να κληρονομούν όλο και περισσότερο συνθετικό υλικό.
Οι τροποποιήσεις που μπορούν να κάνουν τη διαφορά
Κατά τη διαδικασία ανακατασκευής του DNA της μαγιάς, αφαιρέθηκαν «άχρηστα» τμήματα ενώ έγιναν και διορθώσεις σφαλμάτων.
Οι ερευνητές μετέφεραν σε ένα εντελώς νέο χρωμόσωμα πολλά από τα γονίδια που είναι υπεύθυνα για την παραγωγή μορίων μεταφοράς πληροφοριών (transferRNA – tRNA), τα οποία παίζουν βασικό ρόλο στην παραγωγή πρωτεϊνών.
Με το «νεοχρωμόσωμα», που αποτελείται μόνο από γονίδια tRNA, οι επιστήμονες ελπίζουν να κάνουν τη μαγιά πιο… χρήσιμη. Τα τροποποιημένα κύτταρα ζυμομύκητα έχουν χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή πρωτεϊνών όπως η ινσουλίνη. Το νέο συνθετικό στέλεχος θα μπορούσε να αξιοποιηθεί για την παραγωγή πιο περίπλοκων φαρμακευτικών προϊόντων.
Μόνο η κατασκευή του νεοχρωμοσώματος χρειάστηκε δέκα χρόνια. Το DNA του αποτελείται από περίπου 660.000 μονάδες, γνωστές ως ζεύγη βάσεων. Ολόκληρο το γονιδίωμα της μαγιάς έχει περίπου 11 εκατομμύρια ζεύγη βάσεων…
«Το νεοχρωμόσωμα tRNA είναι το πρώτο εξαρχής κατασκευασμένο συνθετικό χρωμόσωμα στον κόσμο. Τίποτα τέτοιο δεν υπάρχει στη φύση» εξήγησε στους Times ο Cai.
Κάτι ακόμη που δεν υπάρχει στη φύση είναι ότι οι ερευνητές μπορούν να προσθέσουν ένα ένζυμο στη μαγιά που την αναγκάζει να «ανακατέψει» το DNA της. Η διαδικασία αυτή μπορεί να δημιουργεί εκατομμύρια εκδόσεις με διαφορετικά χαρακτηριστικά. Κάτι σαν τη φυσική εξέλιξη αλλά σε… fast forward!
Στη συνέχεια, θα μπορούσαν να επιλεγούν μεμονωμένα κύτταρα με χαρακτηριστικά που μπορεί να είναι χρήσιμα στην ιατρική ή στην παραγωγή βιοκαυσίμων, ή σε άλλες εφαρμογές.
Οπως εξηγεί στους Times ο καθηγητής Ellis, «με τον επανασχεδιασμό και την κατασκευή ενός χρωμοσώματος από την αρχή, η ομάδα μας θέτει τα θεμέλια για την παρέμβαση σε σύνθετους οργανισμούς όπως φυτά και ζώα».
Η έρευνα περιγράφεται σε μια σειρά εργασιών που δημοσιεύθηκαν στα περιοδικά Cell, Molecular Cell και Cell Genomics. Συμμετείχαν ερευνητές από τα Πανεπιστήμια του Νότιγχαμ, του Μάντσεστερ, του Κέιμπριτζ, του Εδιμβούργου και του Imperial College του Λονδίνου, μαζί με ομάδες από τις ΗΠΑ, την Κίνα, τη Σιγκαπούρη, τη Γαλλία και την Αυστραλία.