Репродуктивный геном из лаборатории

Репродуктивный геном из лаборатории

Область синтетической биологии не только наблюдает и описывает процессы жизни, но и подражает им. Ключевой характеристикой жизни является способность к репликации, что означает поддержание химической системы. Ученые из Института биохимии Макса Планка в Мартинсриде создали систему, которая способна регенерировать части своей собственной ДНК и строительные блоки белка.

В области синтетической биологии исследователи исследуют так называемые процессы «снизу вверх», что означает создание систем, имитирующих жизнь, из неодушевленных строительных блоков. Одна из самых фундаментальных характеристик всего живого организма – способность сохранять и воспроизводить себя как отдельные объекты. Однако искусственный подход «снизу вверх» для создания системы, способной к самовоспроизведению, является большой экспериментальной задачей. Ученым впервые удалось преодолеть это препятствие и синтезировать такую ​​систему.

Ханнес Мучлер, руководитель исследовательской группы «Биомиметические системы» в Институте биохимии им. Макса Планка, и его команда занимаются имитацией репликации геномов и синтеза белка с использованием подхода «снизу вверх». Оба процесса имеют фундаментальное значение для самосохранения и воспроизводства биологических систем. Теперь исследователям удалось создать систему in vitro, в которой оба процесса могли происходить одновременно. «Наша система способна регенерировать значительную часть своих молекулярных компонентов», – объясняет Мучлер.

Чтобы начать этот процесс, исследователи нуждались в строительном руководстве, а также в различных молекулярных «машинах» и питательных веществах. В переводе на биологические термины это означает, что руководство по строительству – это ДНК, которая содержит информацию для производства белков. Белки часто называют «молекулярными машинами», потому что они часто действуют как катализаторы, которые ускоряют биохимические реакции в организмах. Основными строительными блоками ДНК являются так называемые нуклеотиды. Белки сделаны из аминокислот.

Модульная структура руководства по строительству

В частности, исследователи оптимизировали систему экспрессии in vitro, которая синтезирует белки на основе ДНК-схемы. Благодаря нескольким улучшениям, система экспрессии in vitro теперь может очень эффективно синтезировать белки, известные как ДНК-полимеразы. Эти ДНК-полимеразы затем реплицируют ДНК с использованием нуклеотидов. Кай Либичер, первый автор исследования, объясняет: «В отличие от предыдущих исследований, наша система способна считывать и копировать сравнительно длинные геномы ДНК.

Ученые собрали искусственные геномы из одиннадцати кольцевых кусочков ДНК. Эта модульная структура позволяет им легко вставлять или удалять определенные сегменты ДНК. Самый большой модульный геном, воспроизведенный исследователями в исследовании, состоит из более чем 116 000 пар оснований, которые достигают длины генома очень простых клеток.

Регенерация белков

Помимо кодирования полимераз, которые важны для репликации ДНК, искусственный геном содержит чертежи для других белков, таких как 30 факторов трансляции, происходящих из бактерии Escherischia coli. Факторы трансляции важны для трансляции ДНК-схемы в соответствующие белки. Таким образом, они необходимы для самореплицирующихся систем, которые имитируют биохимические процессы. Чтобы показать, что новая система экспрессии in vitro не только способна воспроизводить ДНК, но и способна создавать собственные факторы трансляции, исследователи использовали масс-спектрометрию. С помощью этого аналитического метода они определили количество белков, продуцируемых системой.

Удивительно, что некоторые из факторов трансляции даже присутствовали в больших количествах после реакции, чем добавленные ранее. По мнению исследователей, это важный шаг на пути к непрерывно самовоспроизводящейся системе, которая имитирует биологические процессы.

В будущем ученые хотят расширить искусственный геном дополнительными сегментами ДНК. В сотрудничестве с коллегами из исследовательской сети MaxSynBio они хотят создать систему с оболочкой, способную сохранять жизнеспособность, добавляя питательные вещества и выбрасывая отходы. Такая минимальная ячейка может затем использоваться, например, в биотехнологии в качестве специализированной производственной машины для природных веществ или в качестве платформы для создания еще более сложных систем, подобных жизни.


Источник истории:

Материалы предоставлены Max-Planck-Gesellschaft . Примечание: содержание может быть отредактировано по стилю и длине.


Ссылка на журнал :

  1. К. Либичер, Р. Хорнбергер, М. Хейманн, Х. Мучлер. In vitro саморепликация и мультицистронная экспрессия крупных синтетических геномов . Nature Communications , 2020; 11 (1) DOI: 10.1038 / s41467-020-14694-2