Den genetischen Code lebender Bakterien bearbeiten

Forscher der Harvard Medical School haben ein Find-and-Replace-Tool entwickelt, um den genetischen Code lebender Bakterien zu bearbeiten. Die Technik bietet eine leistungsfähigere Möglichkeit, lebende Organismen zu manipulieren, und könnte schließlich verwendet werden, um industrielle Mikroben sicherer und robuster zu machen und neue Arten von Medikamenten und Chemikalien herzustellen.

Schreiberring: Die farbigen Spitzen um diesen Ring stellen die Anzahl der Codons dar, die in E.coli ersetzt wurden.

Die meisten Gene, aus denen der genetische Code eines Organismus besteht, sind im Wesentlichen Entwurfspläne für die Herstellung von Proteinen. Jedes Gen besteht aus einem langen Strang von Molekülen, den sogenannten Nukleotiden. Drei solcher Nukleotide – eine Gruppe, die als Codon bekannt ist – teilen einer Zelle mit, welche Aminosäuren sie beim Aufbau eines Proteins verwenden soll.



Zellen können 22 natürlich vorkommende Aminosäuren als Bausteine ​​für die Herstellung von Proteinen verwenden, aber Chemiker haben im Labor über hundert sogenannte unnatürliche Aminosäuren mit den Mitteln der Chemie und nicht der Biologie synthetisiert. Natürlich vorkommende Organismen können diese Chemikalien nicht herstellen oder aufbauen. Organismen, die aus diesen Aminosäuren Proteine ​​aufbauen könnten, würden insbesondere in der Medikamentenentwicklung neue Möglichkeiten eröffnen. Aber normalen Zellen fehlt der notwendige genetische Code, um mit diesen unnatürlichen Aminosäuren zu arbeiten.

Ein Team in Harvard, geleitet von Georgskirche , hat ein Werkzeug zum Editieren von Genen entwickelt, das dies ändern könnte. Um Mikroben in die Lage zu versetzen, Proteine ​​aufzubauen, die unnatürliche Aminosäuren enthalten, müssen Forscher in der Lage sein, sowohl alle bestimmten Codons im Genom zu bearbeiten als auch die Zellmaschinerie zu manipulieren, die diese Codons liest. Mit dem neuen Tool können sie den ersten Teil erledigen.

Church sagt, er hoffe, mit dem Ansatz drei Ziele zu erreichen. Zunächst will er Bakterien bauen, die neue Medikamente und andere Chemikalien produzieren können. Zweitens möchte er Bakterien genetisch verändern, die außerhalb des Labors nicht leben können, weil sie zum Überleben unnatürliche Aminosäuren benötigen – eine Leistung, die Umweltschäden verhindern könnte, die durch die Freisetzung solcher Bakterien in die Welt entstehen könnten. Und drittens will er Bakterien immun gegen Viren machen, denn Viren können in der industriellen Produktion Probleme bereiten. Der Weg, all diese Dinge zu erreichen, besteht darin, den genetischen Code Ihres Lieblingsorganismus zu ändern, sagt Church.

Donnerstag, im Tagebuch Wissenschaft , Churchs Gruppe beschrieb, wie sie alle 314 Instanzen eines bestimmten Codons im Genom des Lebens löschte E coli und ersetzten sie durch ein anderes Codon. Die Arbeit wurde gemeinsam geleitet von Farren Isaacs , jetzt Assistant Professor für Molekularbiologie an der Yale University. Der Prozess beinhaltet die Durchführung kleiner genetischer Veränderungen in mehreren Stämmen von E coli , dann kombiniere sie.

Forscher am J. Craig Venter Institut haben zuvor gezeigt, wie man ein ganzes Genom anders bearbeiten kann. Dies ist dieselbe Gruppe, die letztes Jahr die erste synthetische lebende Zelle hergestellt hat. Die Venter-Gruppe bearbeitet das Genom auf einem Computer und synthetisiert dann das Ganze mit einer Kombination aus Maschinen und Hefezellen; Danach wird das Genom in eine Empfängerzelle transplantiert.

Churchs Methode führt Veränderungen in lebenden Zellen ein. Er sieht den Vorteil dieses Ansatzes darin, dass Fehler korrigiert werden können, wenn sie auf dem Weg zu größeren Änderungen passieren. Church hofft, dass seine neueste Arbeit andere Forscher vom Wert des Genom-Scale-Engineering überzeugen wird. Sowohl seine Methode als auch die am Venter-Institut entwickelte Methode beinhalten die Verwendung von DNA-Synthesizer-Maschinen, um große Mengen an DNA herzustellen, die die manipulierten Zellen aufnehmen können. Die DNA-Synthese ist immer noch teuer. Und der Zeitaufwand für beide Techniken, obwohl er immer kürzer wird, ist ein weiterer Kostenfaktor. Wir müssen die Kosten senken und an die Benutzerfreundlichkeit denken, sagt er.

Die Herstellung von Proteinen mit unnatürlichen Komponenten ist so nützlich, dass Biologen dies seit Jahrzehnten tun, wenn auch ineffizient, sagt David Tirrell , Professor für Chemieingenieurwesen am Caltech. Tirrell ist nicht mit der Harvard-Gruppe verbunden.

Zwei Unternehmen – Allozyme, mit dem Tirrell verbunden ist, und Ambrix – stellen beide Proteinmedikamente her, die unnatürliche Aminosäuren enthalten. In beiden Fällen haben sie Bakterien entwickelt, die Proteine ​​herstellen können, die nur eine unnatürliche Aminosäure enthalten. Organismen herzustellen, die mehr von diesen unnatürlichen Chemikalien verwenden können, um neue Arten von Molekülen zu produzieren, würde neue Grenzen für Proteinmedikamente eröffnen, sagt er. Proteine ​​mit unnatürlichen Bestandteilen könnten auch Barrieren im Körper überwinden, die heute nur schwer zu durchbrechen sind, wie beispielsweise die Blut-Hirn-Schranke. Churchs Gruppe beginnt eine Zusammenarbeit mit Ambrix.

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