Znanstveniki se že dolgo sprašujejo: ali lahko ustvarijo polnopravno sintetično obliko življenja? Biolog Anthony José je predstavil koncept celične kode, katere znanje je potrebno za pridobitev umetnega organizma.
Trenutno so raziskovalci šele začeli proizvajati umetne oblike življenja s ponovnim sestavljanjem genov enoceličnih mikroorganizmov. Zlasti marca lani se je v eni od specializiranih publikacij pojavil članek, v katerem so znanstveniki opisali postopek ustvarjanja bakterije mikoplazme z najmanjšim možnim številom genov. Da bi dobili želeni rezultat, so znanstveniki delce spremenjenega genoma, ki je bil skoraj za polovico manjši od prvotnega, izmenično vstavljali v celico prejemnika z uničeno DNA.
Letos je ameriškim raziskovalcem z univerze Johns Hopkins uspelo pridobiti kvas z umetnimi kromosomi, iz katerih so bili odstranjeni neuporabni in okvarjeni geni. Poleg tega je znanstvenikom uspelo razbiti genetsko kodo s spreminjanjem trojčkov beljakovin TAG v TAA. Zaradi tega so se organizmi znebili dodatnega drobca, ki je služil kodonom TAG.
Medtem ko nekateri raziskovalci poskušajo ustvariti enocelične organizme brez genskih ostankov, hkrati pa drugi znanstveniki poskušajo spremeniti način kodiranja beljakovin z zaporedjem DNA. Trenutno je napredek v tej smeri več kot skromen. Malo tega, kar je bilo narejenega, je diverzifikacija abecede DNA. Štirim že obstoječim nukleotidnim črkam je bilo dodanih nekaj črk. Eden izmed znanstvenih člankov govori o tem, kako je mednarodni skupini raziskovalcev uspelo v genom E. coli vstaviti umetne nukleotide Y, X. Kljub temu, da so že nekaj podobnega storili, so raziskovalci uspeli zagotoviti, da bakterije obdržijo sintetični del v svoji DNK, vendar ob uspešnem razvoju.
Vendar je to le prvi korak k polnopravnemu umetnemu organizmu. V naslednjem koraku nameravajo znanstveniki narediti, da umetni nukleotidi kodirajo aminokisline. V E. coli so bili sintetični proteini Y, X postavljeni v varen del genoma, zunaj kodirnih zaporedij genov. V nasprotnem primeru bi novi peptidi preprosto zmotili proces sinteze beljakovin. Celica preprosto ne bi vedela, za katero aminokislino je odgovoren ta ali tisti kodon (YGC ali ATX). Biologi še niso ustvarili nove transportne RNA, ki bo sposobna prepoznati takšne trojčke in v rastoče peptidno zaporedje vstaviti določeno aminokislino.
Toda tudi v takšnih pogojih takšnega organizma težko imenujemo umetnega. Hkrati znanstveniki razumejo, kakšna bodo njihova naslednja dejanja. Sintetični organizem ne bo prejel samo novih nukleotidov, temveč tudi nove aminokisline, ki se sploh ne pojavijo ali pa so v celici izjemno redke. Znanstveniki se dobro zavedajo, da vse trojke nukleotidov kodira le dvajset standardnih aminokislin. Nekatere druge aminokisline, vključno s selenocisteinom, lahko pod določenimi pogoji vključimo v beljakovine. Zahvaljujoč dodatnim črkam genetske kode bo mogoče obogatiti beljakovine in oblikovati kodone, ki bodo ustrezali novim aminokislinam.
Kljub temu da je sintetična biologija nekaj napredovala, raziskovalci še vedno ne vedo natančno, katere informacije so pomembne za pridobitev organizma z danimi značilnostmi. Zaporedje DNK je le izhodišče. Vse rastlinske ali živalske celice vsebujejo enak genom, toda med razvojem organizmov so celice razmejene, z drugimi besedami, opravljajo različne funkcije. V tem procesu igra pomembno vlogo sekundarna (tako imenovana epigenetska) regulacija, med katero določene gene izključijo ali aktivirajo spojine. Na koncu se ena celica lahko spremeni v fibroblast, druga pa v nevron.
Anthony José, biolog z Univerze v Marylandu, preučuje, kako negenetske informacije opredeljujejo organizem. Raziskovalec je predlagal koncept celične kode, ki je zaprta v biološke molekule, ki se nahajajo v tridimenzionalnem prostoru. Te molekule so potrebne za poustvarjanje preostalega dela organizma. Za shranjevanje teh informacij niso potrebne vse celice zapletenega organizma; dovolj bo več ali celo ena celica. Za organizme, ki se razmnožujejo spolno, je takšno odlagališče zigota (to je celica, ki nastane po oploditvi ženske gamete s spermo).
Promocijski video:
Po mnenju raziskovalca je za razvozlavanje celične kode treba preučiti celoten cikel obnove organizma. Z drugimi besedami, razvoj živega organizma in njegovo razmnoževanje je treba obravnavati kot en sam proces. Da bi popolnoma razumeli, kako to deluje, ni dovolj razvozlati DNA.
Med tvorbo zigote na tvorbo novega organizma ne vpliva le DNK, pridobljena iz jajčne celice in sperme, temveč tudi citoplazma gamete. Snovi, ki se kopičijo med zorenjem spolnih celic (mRNA, beljakovine, transkripcijski faktorji), lahko povzročijo materin učinek. Prisotni so v zgodnjih fazah razvoja zarodka in so ga celo sposobni ubiti (to je značilno za majske hrošče). Določeno vlogo ima tudi prostorska zgradba teh snovi. Zlasti tvorijo telesne osi pri žuželkah in določajo kodranje školjk pri mehkužcih.
Znanstvenik bo predlagal naslednjo shemo: celica, ki ima biološke makromolekule in druge spojine, v procesu interakcije s hranili, signalnimi molekulami in temperaturo (torej zunanjimi dejavniki) preide v drugo stanje, kar pa vpliva na okolje. Na podoben način gre celoten sistem skozi določeno število ciklov, hkrati pa kopiči nove snovi. Nova stopnja je odvisna od prejšnje, zato jo je mogoče predvideti.
Jose je zaskrbljen, ker biologi še vedno ne poznajo celotne celične kode najpreprostejšega organizma, vendar so kljub temu pri delu z DNK že začeli ustvarjati polumetno obliko življenja. Po mnenju raziskovalca so takšne manipulacije z genskim materialom podobne zamenjavi delov v nekem mehanizmu, zato so lahko z vidika etike zelo tvegane.
Za dešifriranje celične kode biolog predlaga primerjavo notranjih značilnosti zigot v vrsti generacij najpreprostejših mikroorganizmov, na primer enoceličnih alg. V te namene so lahko primerne tudi polumetne bakterije z minimalnim genomom. S preučevanjem očetovskega ali materinskega učinka bo mogoče ugotoviti pomembne zunanje dejavnike. Preučevanje prostorske razporeditve pomembnih molekul je mogoče izvesti s sistematično biokemijsko in molekularno analizo s fluorescentnimi molekulami.