Genom bakteri pertama yang dirancang oleh komputer

Caulobacter crescentus - bakteri aman yang hidup di air tawar di seluruh dunia

Semua genom organisme yang diketahui disimpan dalam database yang dimiliki oleh Pusat Nasional untuk Informasi Bioteknologi di Amerika Serikat. Sekarang database memiliki entri: Caulobacter ethensis-2.0 . Ini adalah genom organisme hidup terkomputerisasi pertama di dunia, yang dikembangkan oleh para ilmuwan dari ETH Zurich . Harus ditekankan bahwa, meskipun genom Caulobacter ethensis-2.0 secara fisik diperoleh dalam bentuk molekul DNA yang sangat besar, organisme yang sesuai belum ada.

Caulobacter ethensis-2.0 didasarkan pada genom bakteri air tawar Caulobacter crescentus yang dipelajari dengan baik dan aman, yang ditemukan secara alami di mata air, sungai, dan danau di seluruh dunia. Itu tidak menyebabkan penyakit. Caulobacter crescentus juga merupakan model organisme yang biasa digunakan di laboratorium penelitian untuk mempelajari kehidupan bakteri. Genom bakteri ini mengandung 4000 gen. Para ilmuwan sebelumnya menunjukkan bahwa hanya sekitar 680 dari gen ini yang penting dalam kelangsungan hidup bakteri di laboratorium.

Beat Kristen, profesor biologi sistem eksperimental di ETH Zurich, dan saudaranya Matthias Kristen, ahli kimia di ETH Zurich, menggunakan genom Caulobacter crescentus minimal sebagai dasar. Mereka bermaksud mensintesis secara kimia genom ini dari awal sebagai kromosom cincin kontinu. Tugas ini dianggap sangat sulit: genom bakteri yang disintesis secara kimia, diperkenalkan 11 tahun lalu oleh pelopor genetika Amerika, Craig Venter , adalah hasil kerja 10 tahun oleh 20 ilmuwan. Mereka mengatakan biaya proyek $ 40 juta.

Sederhanakan proses perakitan

Sementara kelompok Venter membuat salinan persis genom alami, para ilmuwan dari ETH Zurich secara radikal mengubah genom menggunakan algoritma komputer. Motivasi mereka ada dua: satu untuk membuatnya lebih mudah untuk mensintesis genom, dan yang kedua untuk memecahkan masalah mendasar biologi.

Untuk membuat molekul DNA seukuran gen bakteri, para ilmuwan harus bertindak selangkah demi selangkah. Dalam kasus genom Caulobacter , para ilmuwan dari ETH Zurich mensintesis 236 fragmen genom, yang kemudian mereka dijahit. “Sintesis fragmen-fragmen ini tidak selalu sederhana,” Matthias Kristen menjelaskan. "Molekul DNA tidak hanya memiliki kemampuan untuk mematuhi molekul DNA lainnya, tetapi tergantung pada urutannya, mereka juga dapat berputar menjadi loop dan simpul, yang dapat mempersulit proses sintesis atau membuatnya tidak mungkin," jelas Mathias Kristen.

Genom Sederhana

Untuk mensintesis fragmen genom dengan cara yang paling sederhana, dan kemudian menyatukan semua fragmen dengan cara yang paling benar, para ilmuwan secara radikal menyederhanakan urutan genom tanpa mengubah informasi genetik yang sebenarnya (pada tingkat protein). Ada banyak kemungkinan untuk menyederhanakan genom karena biologi memiliki cadangan bawaan untuk menyimpan informasi genetik. Sebagai contoh, banyak asam amino memiliki dua, empat atau lebih kemungkinan untuk menuliskan informasi mereka ke dalam DNA.

Algoritme yang dikembangkan oleh para ilmuwan dari ETH Zurich memanfaatkan secara optimal redundansi kode genetik ini. Dengan menggunakan algoritma ini, mereka menghitung urutan DNA paling ekonomis untuk mensintesis dan membangun genom, yang mereka gunakan dalam pekerjaan mereka.



Genom Caulobacter ethensis-2.0 secara in vitro

Akibatnya, para ilmuwan membuat banyak perubahan kecil pada genom minimal, yang, bagaimanapun, sangat mengesankan: lebih dari seperenam dari 800.000 huruf DNA dalam genom buatan diganti dibandingkan dengan genom minimal "alami". “Berkat algoritma kami, kami sepenuhnya menulis ulang genom kami menjadi urutan huruf DNA baru yang tidak lagi menyerupai urutan aslinya. Namun, fungsi biologis pada tingkat protein telah dipertahankan, ”kata Beat Kristen.

Tes lakmus dalam genetika

Gen yang ditulis ulang juga menarik dari sudut pandang biologis. “Metode kami adalah tes lakmus untuk melihat apakah kita para ahli biologi memahami genetika dengan benar, dan itu memungkinkan kita untuk menyoroti kemungkinan kesenjangan dalam pengetahuan kita,” jelas Beat Kristen. Secara alami, genom yang ditranskripsi mungkin hanya berisi informasi yang benar-benar dipahami para peneliti. Kemungkinan informasi tambahan "tersembunyi" yang ada dalam urutan DNA dan belum dipahami oleh para ilmuwan akan hilang dalam proses mensintesis kode baru.

Para ilmuwan telah menumbuhkan strain bakteri yang mengandung genom Caulobacter alami dan fragmen-fragmen genom artifisial baru. Dengan menonaktifkan beberapa gen alami pada bakteri ini, para ilmuwan dapat menguji fungsi gen buatan. Mereka menguji masing-masing gen buatan dalam proses multi-langkah.

Dalam percobaan ini, para ilmuwan menemukan bahwa hanya sekitar 580 dari 680 gen buatan yang berfungsi. "Dengan pengetahuan, kami dapat meningkatkan algoritme kami dan mengembangkan versi genome 3.0 yang berfungsi penuh," kata Beat Kristen.

Potensi raksasa dalam bioteknologi

"Terlepas dari kenyataan bahwa versi genom saat ini belum sempurna, pekerjaan kami tetap menunjukkan bahwa sistem biologis dibangun sedemikian sederhana sehingga di masa depan kami akan dapat mengembangkan spesifikasi proyek pada komputer sesuai dengan tujuan kami, dan kemudian membangunnya." - kata Matias Kristen. Dan ini dapat diperoleh dengan cara yang relatif sederhana, seperti yang ditekankan oleh Beat Kristen: "Apa yang diperlukan sepuluh tahun bagi Craig Venter, kelompok kecil kami berkinerja menggunakan teknologi baru kami dalam setahun dengan biaya hanya 120.000 franc Swiss."

"Kami percaya bahwa akan segera dimungkinkan untuk menghasilkan sel bakteri fungsional dengan genom seperti itu," kata Beat Kristen. Perkembangan seperti itu akan memiliki potensi besar. Di antara kemungkinan penggunaan di masa depan adalah mikroorganisme sintetis yang dapat digunakan dalam bioteknologi, misalnya, dalam sintesis molekul atau vitamin yang aktif secara farmasi. Teknologi ini dapat diterapkan secara universal untuk semua mikroorganisme, dan tidak hanya untuk Caulobacter . Kemungkinan lain adalah produksi vaksin DNA.

“Tidak peduli seberapa menjanjikan hasil penelitian dan kemungkinan aplikasinya, mereka membutuhkan pemahaman yang mendalam tentang tujuan penggunaan teknologi ini, dan pada saat yang sama, bagaimana mencegah penyalahgunaan,” kata Beat Kristen. Belum jelas kapan bakteri pertama dengan genom buatan akan diperoleh, tetapi sekarang jelas bahwa itu dapat diperoleh dan akan berkembang. “Kita perlu menggunakan waktu yang kita miliki untuk diskusi intensif antara ilmuwan, serta dalam masyarakat secara keseluruhan. Kami siap berkontribusi untuk diskusi ini dengan semua pengetahuan yang kami miliki. "