Naukowcy od dawna się zastanawiali: czy mogą stworzyć pełnoprawną syntetyczną formę życia? Biolog Anthony José przedstawił koncepcję kodu komórkowego, którego znajomość jest niezbędna do uzyskania sztucznego organizmu.
Obecnie naukowcy dopiero zaczęli wytwarzać sztuczne formy życia, ponownie składając genomy jednokomórkowych mikroorganizmów. W szczególności w marcu ubiegłego roku w jednej ze specjalistycznych publikacji ukazał się artykuł, w którym naukowcy opisali proces powstawania bakterii mykoplazmatycznej o jak najmniejszej liczbie genów. Aby uzyskać pożądany rezultat, naukowcy naprzemiennie wstawiali fragmenty zmienionego genomu, który był prawie o połowę mniejszy od oryginału, do komórki biorcy ze zniszczonym DNA.
W tym roku amerykańskim badaczom z Johns Hopkins University udało się uzyskać drożdże ze sztucznymi chromosomami, z których usunięto bezużyteczne i wadliwe geny. Ponadto naukowcom udało się złamać kod genetyczny, zmieniając trojaczki białek TAG w TAA. Dzięki temu organizmy pozbyły się dodatkowego fragmentu, który służył kodonom TAG.
Podczas gdy niektórzy badacze próbują stworzyć organizmy jednokomórkowe wolne od szczątków genetycznych, inni naukowcy próbują jednocześnie wprowadzić zmiany w sposobie kodowania białek przez sekwencję DNA. W tej chwili postęp w tym kierunku jest więcej niż skromny. Niewiele, co zostało zrobione, to zróżnicowanie alfabetu DNA. Kilka liter zostało dodanych do czterech już istniejących liter nukleotydów. Jeden z artykułów naukowych mówi o tym, jak międzynarodowej grupie naukowców udało się wprowadzić sztuczne nukleotydy Y, X do genomu E. coli. Pomimo tego, że coś podobnego zostało zrobione wcześniej, naukowcom udało się zapewnić, że bakterie zachowały syntetyczną część w ich DNA, ale podczas pomyślnego rozwoju.
Jednak to dopiero pierwszy krok w kierunku pełnoprawnego sztucznego organizmu. W kolejnym kroku naukowcy zamierzają stworzyć sztuczne nukleotydy kodujące aminokwasy. U E. coli syntetyczne białka Y, X zostały umieszczone w bezpiecznej części genomu, poza sekwencjami kodującymi genów. W przeciwnym razie nowe peptydy po prostu zakłóciłyby proces syntezy białek. Komórka po prostu nie wiedziałaby, za który aminokwas odpowiedzialny jest ten lub inny kodon (YGC lub ATX). Biolodzy nie stworzyli jeszcze nowego transportowego RNA, który będzie w stanie rozpoznać takie trojaczki i wstawić określony aminokwas do rosnącej sekwencji peptydowej.
Ale nawet w takich warunkach trudno nazwać takiego organizmu sztucznym. Jednocześnie naukowcy rozumieją, jakie będą ich następne działania. Organizm syntetyczny otrzyma nie tylko nowe nukleotydy, ale także nowe aminokwasy, które albo w ogóle nie występują, albo są niezwykle rzadkie w komórce. Naukowcy doskonale zdają sobie sprawę, że wszystkie tryplety nukleotydów są kodowane tylko przez dwadzieścia standardowych aminokwasów. Niektóre inne aminokwasy, w tym selenocysteina, mogą zostać włączone do białka w określonych warunkach. Dzięki dodatkowym literom kodu genetycznego możliwe będzie wzbogacenie białka i uformowanie kodonów, które będą odpowiadały nowym aminokwasom.
Pomimo tego, że biologia syntetyczna poczyniła pewne postępy, naukowcy wciąż nie wiedzą dokładnie, jakie informacje są ważne dla uzyskania organizmu o podanych cechach. Sekwencja DNA to tylko punkt wyjścia. Wszystkie komórki rośliny lub zwierzęcia zawierają ten sam genom, ale w toku rozwoju organizmów komórki te są wytyczone, czyli pełnią różne funkcje. W tym procesie ważną rolę odgrywa wtórna (tzw. Epigenetyczna) regulacja, podczas której pewne geny są wyłączane lub aktywowane przez związki. Ostatecznie jedna komórka może przekształcić się w fibroblast, a inna w neuron.
Anthony José, biolog z University of Maryland, bada, jak informacja niegenetyczna definiuje organizm. Badacz zaproponował koncepcję kodu komórkowego, który jest zamknięty w biologicznych cząsteczkach znajdujących się w trójwymiarowej przestrzeni. Te cząsteczki są potrzebne do odtworzenia reszty organizmu. Do przechowywania tych informacji nie są potrzebne wszystkie komórki złożonego organizmu, wystarczy kilka lub nawet jedna komórka. W przypadku organizmów rozmnażających się płciowo takim repozytorium jest zygota (jest to komórka, która powstaje po zapłodnieniu żeńskiej gamet plemnikiem).
Film promocyjny:
Zdaniem badacza, aby rozszyfrować kod komórkowy, konieczne jest zbadanie całego cyklu odbudowy organizmu. Innymi słowy, konieczne jest rozważenie rozwoju żywego organizmu i jego reprodukcji jako pojedynczego procesu. Aby w pełni zrozumieć, jak to działa, nie wystarczy rozszyfrować DNA.
Podczas formowania się zygoty na powstawanie nowego organizmu wpływa nie tylko DNA otrzymane z oocytu i plemników, ale także cytoplazma gamet. Substancje, które gromadzą się podczas dojrzewania gamet (mRNA, białka, czynniki transkrypcyjne) mogą powodować efekt matczyny. Występują we wczesnych stadiach rozwoju zarodka, a nawet potrafią go zabić (jest to typowe dla chrząszczy majowych). Pewną rolę odgrywa również struktura przestrzenna tych substancji. W szczególności tworzą osie ciała u owadów i określają zwijanie się muszli u mięczaków.
Naukowiec zaproponuje następujący schemat: komórka, która ma biologiczne makrocząsteczki i inne związki, w procesie interakcji ze składnikami odżywczymi, cząsteczkami sygnałowymi i temperaturą (czyli czynnikami zewnętrznymi) przechodzi w inny stan, który z kolei oddziałuje na środowisko. W podobny sposób cały system przechodzi określoną liczbę cykli, gromadząc nowe substancje. Nowy etap zależy od poprzedniego, więc można go przewidzieć.
Jose martwi się, że biolodzy wciąż nie znają całego kodu komórkowego najprostszego organizmu, ale mimo to, pracując z DNA, już zabrali się za stworzenie półsztucznej formy życia. Zdaniem badacza takie manipulacje materiałem genetycznym przypominają wymianę części w jakimś mechanizmie, więc mogą być bardzo ryzykowne z etycznego punktu widzenia.
Aby rozszyfrować kod komórkowy, biolog proponuje porównanie wewnętrznych cech zygot w szeregu pokoleń najprostszych mikroorganizmów, na przykład jednokomórkowych glonów. Do tych celów odpowiednie mogą być również półsztuczne bakterie z minimalnym genomem. Badając efekt ojcowski lub matczyny, możliwe będzie ustalenie istotnych czynników zewnętrznych. Badanie przestrzennego rozmieszczenia ważnych cząsteczek można przeprowadzić za pomocą systematycznej analizy biochemicznej i molekularnej z wykorzystaniem cząsteczek fluorescencyjnych.