Sintetična genomika: kaj je, metode in primeri
Kaj je sintetična genomika
Sintetična genomika je veja genske tehnologije, ki presega klasični genski inženiring: ne gre le za prenos ali urejanje posameznih genov, temveč za načrtovanje, sestavljanje in vpeljevanje celotnih genetskih enot ali genomov, ki se v naravi ne pojavljajo ali so močno spremenjeni. Z njo se ustvarjajo geni, ki se v naravi nikoli ne pojavljajo.
Sintetična genomika pogosto ne uporablja izključno naravnih genov. Uporablja po meri zasnovane zaporedja baznih parov in v naprednih konceptih tudi alternative, kot so razširjeni ali spremenjeni genetski kodni sistemi. V prihodnosti bodo morda uporabljali genske kode, ki niso sestavljene iz dveh baznih parov DNK, ki jih trenutno uporabljajo oblike življenja, ali pa celo ne-DNK nukleinske kisline (npr. XNA).
Metode in tehnologije
Sintetična genomika združuje tehnike iz molekularne biologije, računalniškega načrtovanja in kemije. Ključne postopke lahko strnemo takole:
- Sinteza DNK: kemično ali enzymatsko sestavljanje kratkih oligonukleotidov v daljša zaporedja; cenejša in natančnejša sinteza omogoča izdelavo dolgotrajnih sekvenc v velikem obsegu.
- Sklepanje več fragmentov: metode, kot je Gibsonova sestava, Golden Gate ali homologna rekombinacija v kvasovkah, omogočajo združevanje številnih fragmentov v velike molekule DNK ali celo cele kromosome.
- Genomska montaža in prenosi: sestavljene genomske enote je mogoče vgraditi v ciljne celice z različnimi tehnikami, vključno s transformacijo, elektroporacijo ali transplantacijo genoma.
- Računalniško načrtovanje: napredni algoritmi in modeli za napovedovanje zlaganja beljakovin, optimizacijo kodonov in simulacije delovanja celic olajšajo načrtovanje delujočih umetnih sekvenc.
- Urejanje genoma: orodja, kot je CRISPR, se uporabljajo za fino urejanje obstoječih genomov ali za integracijo sintetičnih enot v okolje celice.
Sintetična genomika uporablja tehnike iz raziskav genetike. Raziskovalci lahko v velikem obsegu poceni in natančno izdelujejo dolge verige baznih parov. To jim omogoča izvajanje poskusov na genomih, ki v naravi ne obstajajo. Uporabljajo tudi zamisli o zlaganju beljakovin in vrhunske računalniške zmogljivosti.
Primeri in zgodovinski dosežki
V zgodovini so bili pomembni dosežki vključno z izdelavo sintetičnih kromosomov in celotnih genomov. Na tem področju deluje inštitut J. Craig Venter. Ekipo približno 20 raziskovalcev vodijo Nobelov nagrajenec Hamilton Smith, raziskovalec DNK Craig Venter in mikrobiolog Clyde A. Hutchison III. Venterjeva skupina je z rekombinacijo 25 prekrivajočih se fragmentov sestavila polsintetični genom bakterije Mycoplasma genitalium. To je bilo izvedeno v enem samem koraku:
"Uporaba rekombinacije v kvasovkah močno poenostavi sestavljanje velikih molekul DNK iz sintetičnih in naravnih fragmentov."
Genetiki so izdelali prvi sintetični kromosom za kvasovke. "Gene v prvotnem kromosomu so nadomestili s sintetičnimi različicami in končni umetni kromosom so nato uspešno vgradili v celico kvasovk."
Poleg akademskih skupin so bila ustanovljena tudi podjetja, med njimi podjetje Synthetic Genomics (podjetje), da bi izkoristila številne komercialne možnosti uporabe po meri oblikovanih genomov.
Aplikacije
- Medicina: razvoj novih cepiv, terapevtskih beljakovin, bakterij za sintezo zdravil ter raziskave minimalnih genomov za razumevanje osnov življenja.
- Industrija in biotehnologija: oblikovanje mikroorganizmov za proizvodnjo biogoriv, kemikalij, bioplastike in encimov ter optimizacija proizvodnih poti.
- Kmetijstvo: ustvarjanje rastlinskih ali mikrobnih sort z izboljšanimi lastnostmi, odpornih proti stresu ali z večjim pridelkom (ob upoštevanju regulative in varstva okolja).
- Okolje in bioremediacija: razvoj organizmov, ki razgrajujejo onesnaževalce ali zajemajo ogljik iz atmosfere.
- Raziskovanje osnov življenja: preučevanje minimalnih kompletov genov, testiranje alternativnih genetskih kod in razumevanje evolucijskih principov.
Etika, varnost in regulativa
Sintetična genomika odpira velike možnosti, hkrati pa prinaša tudi pomembna etična in varnostna vprašanja. Med glavne skrbi sodijo:
- Biološko varnost (biosafety): preprečevanje nenamerne razširitve sintetičnih organizmov v okolje in ocenjevanje morebitnih ekoloških posledic.
- Biološka varnost (biosecurity): tveganje za zlorabe tehnologije, vključno z možnostjo ustvarjanja škodljivih patogenov.
- Etika in družbeni učinki: vprašanja o lastništvu genskih virov, intelektualni lastnini, dostopu do tehnologije ter vplivu na kmetijstvo in zdravstvo.
- Regulative: potreba po mednarodnih in nacionalnih smernicah, pregledih tveganj in nadzoru pri raziskavah ter komercialnih aplikacijah.
Prihodnost
Sintetična genomika se hitreje razvija kot kdajkoli prej: cene sinteze DNK padajo, računalniški modeli so natančnejši, možnosti za razširjene genske kode in neobičajne biokemije pa se povečujejo. Pričakuje se širša uporaba v medicini, industriji in okoljski zaščiti, a bo njen razvoj odvisen tudi od etičnega premisleka, regulativnih okvirov in družbene sprejetosti.
Čeprav je področje polno priložnosti, je pomembno, da napredek spremljajo odgovorne raziskave, odprt dialog z javnostjo in premišljena politika za zmanjšanje tveganj in maksimiranje družbenih koristi.
Vprašanja in odgovori
V: Kaj je sintetična genomika?
O: Sintetična genomika je vrsta genskega inženiringa, ki ustvarja gene, ki se ne pojavljajo v naravi. Ne uporablja naravno prisotnih genov, temveč lahko uporablja po meri oblikovane serije baznih parov.
V: Kako deluje sintetična genomika?
O: Sintetična genomika uporablja tehnike iz genetskih raziskav za poceni in natančno ustvarjanje dolgih verig baznih parov v velikem obsegu. To raziskovalcem omogoča eksperimentiranje z genomi, ki v naravi ne obstajajo. Uporabljajo se tudi zamisli iz zlaganja beljakovin in vrhunske računalniške zmogljivosti.
V: Kdo vodi raziskave na tem področju?
O: Ekipo približno 20 raziskovalcev inštituta J. Craig Venter Institute vodijo Nobelov nagrajenec Hamilton Smith, raziskovalec DNK Craig Venter in mikrobiolog Clyde A. Hutchison III.
V: Kaj je Venterjeva skupina že dosegla?
O: Skupina Venter je z rekombinacijo 25 prekrivajočih se fragmentov v enem koraku z uporabo tehnologije rekombinacije kvasovk sestavila polsintetični genom bakterije Mycoplasma genitalium. Poleg tega so genetiki izdelali prvi sintetični kromosom za kvasovke, tako da so gene v prvotnem kromosomu nadomestili s sintetičnimi različicami in ga uspešno integrirali v celico kvasovk.
V: Ali obstajajo kakšne komercialne aplikacije za po meri zasnovane genome?
O: Da, podjetja, kot je Synthetic Genomics, so bila ustanovljena, da bi izkoristila številne komercialne uporabe po meri oblikovanih genomov.
V: Katere vrste poskusov je mogoče izvajati s sintetično genomiko?
O: Poskuse je mogoče izvajati na genomih, ki v naravi ne obstajajo, z uporabo tehnik sintezne genomike, kot je poceni in natančno ustvarjanje dolgih verig baznih parov v velikem obsegu ali rekombinacija 25 prekrivajočih se fragmentov v enem samem koraku z uporabo tehnologije rekombinacije kvasovk.
