• Friday March 22,2019

Minimale Zelle zeigt, wie wenig wir über grundlegende Genetik wissen

Ein Team von Biologen hat das kleinste Genom synthetisiert, das für eine lebende, replizierende Zelle kodieren kann. Die Entdeckung zeigt jedoch, wie viel wir über die grundlegenden Bausteine ​​des Lebens noch nicht wissen.

Der Genetiker J. Craig Venter und seine Kollegen vom Venter Institute begannen mit dem Genom von Mycoplasma mycoides, einer Bakterienspezies mit dem kleinsten Genom aller bisher selbstreplizierenden Zellwissenschaftler. Sie fügten eine fremde genetische Sequenz, Transposon genannt, in jeweils ein Gen ein, wodurch das Gen nicht mehr funktionierte, sodass die Forscher beobachten konnten, was passiert war. Wenn die Zelle ohne das gestörte Gen weiterläuft, wird sie von den Forschern als nicht essentiell bezeichnet und aus dem Genom herausgeschnitten.

Nach vier Jahren Arbeit durch das M. mycoides -Genom hatten die Forscher es auf ein Minimum reduziert: 473 Gene, etwa die Hälfte des ursprünglichen bakteriellen Genoms. Sie nennen das Ergebnis JCVI-Syn3.0 und veröffentlichten ihre Ergebnisse am Donnerstag in der Zeitschrift Science.

Leere Stellen auf der Karte

Dennoch bleiben 31 Prozent des minimalen Genoms ein Rätsel.

Venter und seine Kollegen sagen, dass einige der unbekannten Gene ähnliche Stellen im bakteriellen Genom einnehmen wie Gene, die universelle Proteine ​​kodieren, die in anderen Organismen vorkommen, aber die Wissenschaftler sind sich nicht sicher, welche Rolle diese Proteine ​​in den komplexen Prozessen des Lebens spielen.

Für Wissenschaftler war dies eine Erinnerung daran, wie viel wir noch immer nicht über grundlegende Biologie verstehen.

"Zu wissen, dass wir ein Drittel unseres grundlegenden Wissens vermissen, ist meiner Meinung nach eine sehr wichtige Erkenntnis, auch wenn es für diesen Organismus keine andere Verwendung gibt", sagt Venter. "Ich denke, wir zeigen, wie komplex das Leben selbst in den einfachsten Organismen ist, wenn wir die Funktionen eines Drittels dieser Gene nicht verstehen."

Das ist laut den Forschern eine wichtige und demütigende Lektion.

„Sie können sehen, dass wir nur zwei Drittel der grundlegendsten Zelle verstehen, die wir jetzt zusammenstellen können. Wir sind wahrscheinlich auf einem Niveau von 1 Prozent, wenn wir das menschliche Genom verstehen. Deshalb habe ich es argumentiert Es ist sehr verfrüht, über das Editieren des menschlichen Genoms zu sprechen, bis wir viel mehr wissen “, warnte Venter.

Die Lücke erklärt auch, warum dieses minimale Genom tatsächlich größer war, als viele Wissenschaftler es vorhergesagt hatten. Seit 1995 hatten die Wissenschaftler geschätzt, dass das kleinste Genom, das ein für Wachstum und Replikation geeignetes Leben kodieren könnte, zwischen 256 und 300 Gene hätte.

Minimal ist ein relativer Begriff

Venter und sein Team betonen, dass Syn3.0 eine minimale Zelle und keine minimale Zelle ist. Sie sagen, es gibt viele minimale Genome für Organismen mit unterschiedlichen Arten des Stoffwechsels, die in unterschiedlichen Umgebungen leben. Eine Mikrobe, deren Metabolismus zum Beispiel von Methan abhängt, hat ein anderes Minimalgenom als eine, die auf Photosynthese angewiesen ist.

"Eine wichtige Erkenntnis ist, dass jedes Genom kontextspezifisch ist. Es hängt also völlig von den Chemikalien in der Umgebung ab, die es zur Verfügung hat", sagt Venter.

Beispielsweise lebt das Bakterium Mycoplasma genitalium von zwei Zuckerarten: Fruktose und Glukose. Es kann beide verstoffwechseln, aber die Zelle verwendet einen anderen chemischen Transporter, um jeden Zucker aufzunehmen. Die Gene, die den Fruktosetransporter kodieren, können in einer Umgebung mit schmackhafter Glukose verbrauchbar sein, ändern jedoch die Umgebung, und dieser Fruktosetransporter ist plötzlich überlebenswichtig.

„Sie können nicht einfach Dinge auf der Grundlage der Gene tun, ohne die Komponenten in der Umgebung zu kennen. In den meisten Fällen kennen wir immer noch nicht alle Komponenten in der Umgebung “, sagt Clyde Hutchinson, Studienkoautor des Venter Institute.

Laut anderen Wissenschaftlern, die den Artikel durchgesehen haben, kann Syn3.0 in seiner derzeitigen Form zum Beispiel wahrscheinlich nicht außerhalb des Labors überleben.

"JCVI-syn3.0 wies erhebliche Defekte in Wachstum und Morphologie auf, was darauf hindeutet, dass es äußerst unwahrscheinlich ist, dass eine solche Zelle außerhalb des Labors überleben würde", sagt Samuel Deutsch, Leiter der DNA-Synthese und -Assemblierung am DOE Joint Genome Institute Die potenziellen Risiken im Zusammenhang mit JCVI-syn3.0 sind minimal. “

Dies ist ein Ausgangspunkt für die Wissenschaft

Was kann ein minimales Genom?

Die Forscher hoffen, dass dies ein Lehr- und Forschungsinstrument sein wird, um die frühe Evolution des Lebens kennenzulernen. Laut Venter plant das Institut, das Genom bald anderen Forschern zur Verfügung zu stellen, und es wird ein Wettbewerb in Betracht gezogen, der einen Preis für die wichtigste neue Evolutionsstufe, die jedes Jahr zu Syn3.0 hinzugefügt wird, auszeichnet.

Sie haben auch ein Auge auf industrielle Anwendungen, wie den Bau von Zellen mit Genomen, die zur Herstellung von Medikamenten, Biokraftstoffen und anderen chemischen Produkten bestimmt sind. Gegenwärtig müssen Biologen, die Bakterien zur Herstellung dieser nützlichen Chemikalien herstellen wollen, ein einzelnes Gen zu einer vorhandenen Bakterien hinzufügen und dann andere Gene zerstören, um die Bemühungen der Zelle um die gewünschte Chemikalie umzuleiten.

Es ist ein langwieriger Prozess von Versuch und Irrtum, einen Organismus zu schaffen, der genügend richtige Chemikalien für die Arbeit produzieren kann.

Natürlich wird diese Art der Gentechnologie eine langfristige Herausforderung sein, sagen andere auf diesem Gebiet.

"Es ist nicht so, als würde dieses neue minimale Genom automatisch sofort zu grundlegenden Erkenntnissen oder industriellen Anwendungen führen", sagt Sriram Kosuri, Assistenzprofessor für Chemie und Biochemie an der UCLA. "Das heißt, sie haben einen sich selbst replizierenden biologischen Organismus geschaffen, der ein besserer Ausgangspunkt für solche wissenschaftlichen und technischen Ziele sein könnte, als die natürlichen Systeme weiter zu untersuchen."

In der Zwischenzeit konzentriert sich das Team darauf, herauszufinden, was die einzelnen Mystery-Gene tatsächlich tun und wie alles zusammenkommt.

„Es ist wichtig zu wissen, dass es keine Zelle gibt, in der wir die Funktionen aller Gene kennen, und wir kennen nicht die Funktionen aller Gene für diese minimale Zelle, aber wir sind näher dran als für jede andere Zelle “, sagt Hutchinson. "Daher ist es unsere langfristige Vision, mit dieser speziellen Minimazelle zu lernen, welche Funktionen alle Gene haben."

Andere auf diesem Gebiet sind begeistert von der Chance, leere Stellen in der Karte des genetischen Wissens auszufüllen.

„Eine der großartigen Erkenntnisse, aber auch die große Einschränkung dieser Arbeit ist, dass sie herausfinden konnten, wie viel wir nicht wissen, selbst über die Kernbereiche des Genoms“, sagt Adam Arkin, Direktor der Berkeley Synthetic Biology Institut an der University of California, Berkeley. „Das ist wissenschaftlich spannend. Diese Arbeit mag eine großartige Plattform für Anwendungen sein, bietet aber auch einen Moment zum Nachdenken darüber, wie wir uns einem besseren Verständnis des Lebens nähern werden. “


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