Sintētiskā genomika — kas tā ir, metodes, piemēri un pielietojumi

Sintētiskā genomika: kas tā ir, metodes, piemēri un pielietojumi — uzzini par mākslīgiem genomiem, tehnoloģijām un to iespējām medicīnā, biotehnoloģijā un rūpniecībā.

Kas ir sintētiskā genomika

Sintētiskā genomika ir gēnu inženierijas veids, kas ietver visu vai daļu no genoma veidošanu no jauna — ne tikai esošu gēnu modificēšanu. Tā rada gēnus, kas dabā nekad nav sastopami un var izmantot pilnīgi jaunus kombinētus elementus vai mākslīgi izstrādātas bāzes pāru secības. Mērķis var būt gan pamata zinātnes jautājumu izpēte (kā darbojas dzīve), gan praktiskas pielietošanas iespējas (ražošanas procesi, medicīna, biotehnoloģijas).

Galvenās idejas un principi

Sintētiskajā genomikā bieži neizmanto tieši dabā esošus gēnus kā gatavu, nepārveidotu materiālu. Tā vietā var izmantot pēc pasūtījuma izstrādātas bāzes pāru sērijas, kas ļauj ieprogrammēt jaunus funkciju komplektus. Nākotnē var rasties arī iespējas izmantot alternatīvus ķīmiskus pamatus vai ģenētiskos kodus, kas nesastāv tikai no parastajiem A‑T‑C‑G partneriem, tā paplašinot iespējas radīt dzīvības formas ar jaunu informācijas kodēšanas sistēmu.

Metodes un tehnoloģijas

Bieži lietotās metodes ietver sintētisku oligonukleotīdu ražošanu, to montāžu lielās ķēdēs, kļūdu labošanas procedūras un secīgu salikšanu, kā arī genomu montāžu un transplantāciju. Sintētiskajā genomikā tiek izmantotas arī populāras ģenētikas pētniecībā izmantojamas metodes, piemēram, DNS sintēze, sekvencēšana un kloņošana. Pētnieki var lēti un precīzi izveidot garas bāzes pāru ķēdes lielā mērogā, kas ļauj izstrādāt un testēt genomiem, kas dabā neeksistē.

Ierasto molekulārās montāžas metožu papildina fermentatīvās vai šūnu bāzētas montāžas pieejas, piemēram, rauga homologās rekombinācijas sistēmas, kas atvieglo ilgāku DNS fragmentu savienošanai. Datorizēta dizaina rīki, proteīnu locīšanas aprēķini un lielas skaitļošanas iespējas palīdz paredzēt funkcionalitāti un optimizēt jaunos genomus; pētnieki izmanto arī idejas proteīnu locīšanas jomā un augstas klases skaitļošanas iekārtas, lai prognozētu un projektētu jaunas biomolekulas.

Piemēri un ievērojami sasniegumi

Šajā jomā plaši zināms ir J. Kreiga Ventera institūts. Venteras komanda izstrādāja daļēji sintētisku Mycoplasma genitalium baktērijas genomu, rekombinējot 25 savstarpēji pārklājas fragmentus. Vairāki no šiem projektiem demonstrēja, ka lielas DNS molekulas var salikt un integrēt dzīvajā šūnā — svarīgs soliņš sintētiskās bioloģijas attīstībā.

"Rauga rekombinācija ievērojami vienkāršo lielu DNS molekulu montāžu gan no sintētiskiem, gan dabīgiem fragmentiem".

Ģenētiķi ir izveidojuši pirmo sintētisko hromosomu raugam, aizstājot oriģinālās hromosomas gēnus ar konstrukcijām, kas izstrādātas un saliktas laboratorijā. Venteras grupa arī demonstrēja sintētiska bakteriāla genoma pārvietošanu uz receptora šūnu, kas ļāva "aktivizēt" sintētiski izveidotu genomu dzīvē. Tāpat jāpiebilst, ka vēlāk paveiktie projekti — tostarp minimālā genoma izstrāde (piemēram, JCVI‑syn3.0) un plašāki rauga hromosomu rekonstrukcijas projekti — parādīja dažādus iespējamus pieejas veidus.

Pielietojumi

• Biotehnoloģija un rūpniecība: sintētiskie genomu risinājumi var uzlabot mikroorganismu spēju ražot biokurjerus, enzīmus, biopolimērus vai biodegazētājus.
• Vakcīnas un zāles: iespēja projektēt virulences elementus vai ražošanas ceļus ļauj izstrādāt jaunus terapeitiskos risinājumus un vakcīnas ražošanas šablonus.
• Lauksaimniecība: var radīt mikroorganismus, kas uzlabo augsnes veselību, fiksē slāpekli vai ražo biostimulatorus.
• Xenobioloģija un paplašinātie kodi: izmantojot alternatīvus bāzu pārus vai paplašinātus ģenētiskos kodus, var radīt sistēmas ar jaunu bioķīmisko funkcionalitāti un izolācijas līmeni no dabiskajām ekosistēmām.
• Pamatpētniecība: izveidojot vienkāršotus vai novirzītus genomus (piem., minimālas šūnas), zinātnieki var labāk izprast, kuri gēni ir būtiski dzīvības procesiem.

Risku vadība un ētika

Sintētiskā genomika sniedz lielas iespējas, taču tai piesaistās arī drošības un ētikas jautājumi. Pastāvriski par nehotišas izdalīšanās un ekoloģiskām sekām, kā arī bažas par iespējamu ļaunprātīgu izmantošanu (dual‑use). Tāpēc nozīmīgi ir stingri biosadarbības standarti, atbilstoša regulācija, laboratoriju biosigurnība un ētiskas pārraudzības institūciju iesaiste. Kopienām un sabiedrībai jābūt informētai par ieguvumiem un riskiem, un pētniecības programmas jāveido ar riska novērtējumu un mitigācijas pasākumiem.

Nākotnes virzieni

Sintētiskā genomika turpinās attīstīties, pateicoties lētākai DNS sintēzei, uzlabotām montāžas metodēm un arvien jaudīgākām datu analīzes platformām. Iespējas ietver paplašinātu ģenētisko kodu izpēti, mākslīgu hromosomu izstrādi, bioloģisku sistēmu programmēšanu rūpnieciskām vajadzībām un minimālu šūnu modeļu izveidi. Svarīgi ir līdzsvarot zinātnes progresu ar atbildīgu pārvaldību, drošību un sabiedrības iesaisti.

Ir arī komerciāli uzņēmumi, tostarp uzņēmums nosaukumā Synthetic Genomics, kas cenšas izmantot pēc pasūtījuma izstrādātas genomu koncepcijas daudzās komerciālās izmantošanas iespējās, taču to darbības jomai pievienojas papildus regulatīvie un ētiskie apsvērumi.

Jautājumi un atbildes

J: Kas ir sintētiskā genomika?

J: Kā darbojas sintētiskā genomika?

J: Kas vada pētījumus šajā jomā?

J: Ko līdz šim ir sasniegusi Venteras grupa?

J: Vai ir kādi komerciāli pielietojumi pielāgotiem genomiem?

J: Kādus eksperimentus var veikt, izmantojot sintētisko genomiku?

Meklēt pēc burta