Κύτταρα με πλήρως τεχνητό συνθετικό γονιδίωμα αναφέρθηκαν για πρώτη φορά το 2010 από το οποίο προήλθε ένα μινιμαλιστικό κύτταρο γονιδιώματος που παρουσίασε ανώμαλη μορφολογία κατά την κυτταρική διαίρεση. Η πρόσφατη προσθήκη μιας ομάδας γονιδίων σε αυτό το μινιμαλιστικό κύτταρο αποκατέστησε τη φυσιολογική κυτταρική διαίρεση
Τα κύτταρα είναι οι βασικές δομικές και λειτουργικές μονάδες της ζωής, μια θεωρία που προτάθηκε από τους Schleiden και Schwann το 1839. Από τότε, οι επιστήμονες ενδιαφέρονται να κατανοήσουν τις κυτταρικές λειτουργίες προσπαθώντας να αποκρυπτογραφήσουν πλήρως τον γενετικό κώδικα για να κατανοήσουν πώς το κύτταρο αναπτύσσεται και διαιρείται σε δημιουργούν περισσότερα κύτταρα παρόμοιου είδους. Με την έλευση του DNA με την αλληλουχία, κατέστη δυνατή η αποκωδικοποίηση της αλληλουχίας του γονιδιώματος, κάνοντας έτσι μια προσπάθεια κατανόησης των κυτταρικών διεργασιών για την κατανόηση της βάσης της ζωής. Το έτος 1984, ο Morowitz πρότεινε τη μελέτη των μυκοπλασμάτων, των απλούστερων κυττάρων ικανών για αυτόνομη ανάπτυξη, για την κατανόηση των βασικών αρχών της ζωής.
Έκτοτε, έχουν γίνει αρκετές προσπάθειες για να μειωθεί το μέγεθος του γονιδιώματος σε έναν μινιμαλιστικό αριθμό που οδηγεί σε ένα κύτταρο που είναι ικανό να εκτελεί όλες τις βασικές κυτταρικές λειτουργίες. Τα πειράματα οδήγησαν για πρώτη φορά στη χημική σύνθεση του γονιδιώματος Mycoplasma mycoides των 1079 Kb το έτος 2010 και ονομάστηκε JCVI-syn1.0. Περαιτέρω διαγραφές έγιναν στο JCVI-syn1.0 από τους Hutchinson III et al. Το (1) οδήγησε στο JCVI-syn3.0 το 2016 που είχε μέγεθος γονιδιώματος 531 Kb με 473 γονίδια και είχε χρόνο διπλασιασμού 180 λεπτών, αν και είχε μη φυσιολογική μορφολογία κατά την κυτταρική διαίρεση. Είχε ακόμα 149 γονίδια με άγνωστες βιολογικές λειτουργίες, υποδηλώνοντας την παρουσία άγνωστων ακόμη στοιχείων που είναι απαραίτητα για τη ζωή. Ωστόσο, το JCVI-syn3.0 παρέχει μια πλατφόρμα για τη διερεύνηση και την κατανόηση των λειτουργιών της ζωής εφαρμόζοντας τις αρχές του συνόλουγονιδίωμα σχεδιασμός.
Πρόσφατα, στις 29 Μαρτίου 2021, ο Pelletier και οι συνεργάτες του (2) χρησιμοποίησαν το JCVI syn3.0 για να κατανοήσουν τα γονίδια που απαιτούνται για την κυτταρική διαίρεση και τη μορφολογία εισάγοντας 19 γονίδια στο γονιδίωμα του JCVI syn3.0, δίνοντας αφορμή στο JCVI syn3.0A που έχει μια μορφολογία παρόμοια με το JCVI syn1.0. κατά την κυτταρική διαίρεση. Το 7 από αυτά τα 19 γονίδια, περιλαμβάνει δύο γνωστά γονίδια κυτταρικής διαίρεσης και 4 γονίδια που κωδικοποιούν πρωτεΐνες που σχετίζονται με τη μεμβράνη άγνωστης λειτουργίας, τα οποία μαζί αποκατέστησαν τον φαινότυπο παρόμοιο με αυτόν του JCVI-syn1.0. Αυτό το αποτέλεσμα υποδηλώνει την πολυγονιδιακή φύση της κυτταρικής διαίρεσης και μορφολογίας σε ένα γονιδιωματικά ελάχιστο κύτταρο.
Δεδομένου του γεγονότος ότι το JCVI syn3.0 είναι ικανό να επιβιώσει και να πολλαπλασιαστεί με βάση το μινιμαλιστικό γονιδίωμά του, μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως πρότυπο οργανισμό για τη δημιουργία διαφορετικών τύπων κυττάρων με ποικίλες λειτουργίες που μπορούν να είναι ευεργετικές για τον άνθρωπο και το περιβάλλον. Για παράδειγμα, μπορεί κανείς να εισαγάγει γονίδια που οδηγούν σε διάλυση πλαστικών, έτσι ώστε ο νέος οργανισμός που δημιουργείται να μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αποικοδόμηση των πλαστικών με βιολογικό τρόπο. Ομοίως, μια φορά μπορεί να οραματιστεί την προσθήκη γονιδίων που σχετίζονται με τη φωτοσύνθεση στο JCVI syn3.0 καθιστώντας το επιδεκτικό χρήσης διοξειδίου του άνθρακα από την ατμόσφαιρα, μειώνοντας έτσι τα επίπεδά του και βοηθώντας στη μείωση της υπερθέρμανσης του πλανήτη, ένα σημαντικό κλιματικό πρόβλημα που αντιμετωπίζει η ανθρωπότητα. Ωστόσο, τέτοια πειράματα πρέπει να αντιμετωπίζονται με μεγάλη προσοχή για να διασφαλιστεί ότι δεν απελευθερώνουμε έναν υπερ-οργανισμό στο περιβάλλον που είναι δύσκολο να ελεγχθεί μόλις απελευθερωθεί.
Ωστόσο, η ιδέα της ύπαρξης ενός κυττάρου με μινιμαλιστικό γονιδίωμα και ο βιολογικός χειρισμός του μπορεί να οδηγήσει στη δημιουργία ποικίλων τύπων κυττάρων με ποικίλες λειτουργίες ικανούς να λύσουν σημαντικά ζητήματα που αντιμετωπίζει η ανθρωπότητα και την τελική επιβίωσή της. Ωστόσο, υπάρχει μια διάκριση μεταξύ της δημιουργίας ενός πλήρως συνθετικού κυττάρου έναντι της δημιουργίας ενός λειτουργικά συνθετικού γονιδιώματος. Ένα ιδανικό εντελώς συνθετικό τεχνητό κύτταρο θα αποτελείται από ένα συνθετικό γονιδίωμα μαζί με συντιθέμενα κυτταροπλασματικά συστατικά, ένα κατόρθωμα που οι επιστήμονες θα ήθελαν να επιτύχουν αργά ή γρήγορα τα επόμενα χρόνια, καθώς οι τεχνολογικές εξελίξεις φθάνουν στο αποκορύφωμά τους.
Η πρόσφατη ανάπτυξη θα μπορούσε να είναι ένα σκαλοπάτι για τη δημιουργία ενός πλήρως συνθετικού κυττάρου που είναι ικανό να αναπτυχθεί και να διαιρεθεί.
***
αναφορές:
- Hutchison III C, Chuang R., et al 2016. Σχεδιασμός και σύνθεση ενός ελάχιστου βακτηριακού γονιδιώματος. Επιστήμη 25 Μαρ 2016: Τόμ. 351, Τεύχος 6280, aad6253
DOI: https://doi.org/10.1126/science.aad6253
- Pelletier JF, Sun L., et al 2021. Γενετικές απαιτήσεις για κυτταρική διαίρεση σε γονιδιωματικά ελάχιστο κύτταρο. Κύτταρο. Δημοσιεύθηκε: 29 Μαρτίου 2021. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.03.008
***
