Gerando genomas e codificando capacidades novas no ADN artificial

Um estudo novo a ser apresentado na associação americana para o avanço da ciência (AAAS) em fevereiro de 2020 relatará na geração do primeiro genoma bacteriano artificial criado do mundo usando um algoritmo de projecto digital junto com a síntese de blocos de apartamentos do ADN em grande escala. Este genoma toma o formulário pelo produto químico um pouco do que a síntese molde-baseada. A pesquisa é publicada nas continuações do jornal da Academia Nacional das Ciências.

A batida batiza, professor adjunto da biologia de sistemas experimentais e Dr. Matthias Batizar no laboratório batizar em ETH Zurique. Crédito de imagem: ETH Zurique/Agnieszka Wormus
A batida batiza, professor adjunto da biologia de sistemas experimentais e Dr. Matthias Batizar no laboratório batizar em ETH Zurique. Crédito de imagem: ETH Zurique/Agnieszka Wormus

Sintetizando genomas quimicamente

No campo da biologia sintética, a genómica sintética tem tomado um assento dianteiro recentemente. Contudo, o genoma do poliovírus e o vírus do bacteriófago phiX174 foram sintetizados quimicamente, sem um molde complementar do ADN ou do RNA, no início deste século.

A revolução digital afectou a biologia a seu nível mais fundamental, isto é, o ADN que arranja em seqüência, que ajuda biólogos sintéticos a ler e escrever, e mesmo à reescrita, moléculas do ADN para projectar micro-organismos úteis com a ajuda do computador projecta.

A criação bem sucedida de genomas virais do tamanho moderado conduziu à síntese dos genomas de uns organismos mais complexos, como de alguma espécie do mycoplasma. De alguns kilobases, a síntese genomic saltou aos megabases, que facilitaram muito produzir melhores estratégias para a síntese química do ADN assim como transportar o genoma. Por outro lado, um único absurdo soletrado da mutação não somente mas impedido a iniciação da transcrição do ADN.

Construindo uma versão média magra do genoma

A equipe atrás da síntese mais adiantada do genoma do mycoplasma construiu então uma versão minimizada de uma destas moléculas do ADN, incluindo somente genes essenciais. Além disso, um grupo internacional das 21 instituições está sintetizando agora o genoma do fermento comum, Saccharomyces Cerevisiae de 16 cromossomas. Tinha coberto com sucesso aproximadamente 40% do todo em 2018.

Os desenhistas centraram-se principalmente sobre a eliminação de seqüências de repetição de nucleico ácido-como genes para o tRNA, os introns (seqüências noncoding de intervenção), e os transposons de modo que pudessem substituir genes homólogos entre espécies mais exactamente. Igualmente incorporaram os locais novos do loxP onde a inserção exacta e controlada dos genes em locais específicos se torna possível. Apontaram reduzir ponto por ponto o tamanho do genoma uma vez que os cromossomas do fermento foram sintetizados completamente. Isto era necessário naquele tempo desde que o editor poderoso do gene de CRISPR não estava ainda disponível naquele tempo.

Codons da redundância e da reescrita

É notável que o código genético oferece oportunidades para projetar codons durante todo o genoma devido à redundância, isso é porque os codons múltiplos codificam o mesmo ácido aminado. Isto foi explorado para reescrever codons através de um genoma inteiro nos vírus e as algumas bactérias e o fermento. Esta experimentação trouxe à luz a não-possibilidade de reescrever o código usando codons sinónimos em alguns casos, especialmente quando estava perto do 5' ou de 3' fins das seqüências que codificaram para proteínas.

Mais recentemente, as gavetas do gene, ou as unidades completas independentes do gene, foram reescritas com a substituição dos genes no genoma inteiro, através da síntese do ADN a partir do zero. Contudo actualmente, mais trabalho permanece ser feito, com muitos exemplos onde os genes com sucesso sintetizados permanecem não-funcionais. Pode-se ser que alguns sinais para a transcrição ou a tradução estejam encaixados nas extremidades dos exons, ou que nós não sabemos realmente onde um gene começa em alguns casos.

Este era o motriz para o estudo actual, que tenta reescrever em grande escala o genoma, usando codons sinónimos, em combinação com encontrar as causas dos erros no genoma em uma maneira sistemática. A necessidade é para “uma aproximação amplamente aplicável do diagnóstico do erro da alto-produção,” por meio de que a reescrita do genoma inteiro pode ser avaliada.

O projecto

Os pesquisadores tentaram sintetizar a versão minimizada ou despido do genoma do crescentus de água doce -2,0 de Caulobacter da bactéria (C. eth-2.0), de um organismo muito produtivo e responsivo do modelo do ciclo de pilha. O transcriptome desta bactéria, os ribosomes, e muitas outras medidas estão já disponíveis como um modelo detalhado do genoma.

O alvo era evoluir nenhum-folhos aproxima-se à técnica da projecto-teste-construção que ajudará a produzir um genoma personalizado que incorpore as funções essenciais da pilha e pouco mais. A base desta aproximação é construir quimicamente este genoma de modo que a informação no genoma pudesse ser analisada para o que nos diz sobre genes essenciais.

O procedimento

A primeira etapa era extrair as peças do ADN necessários da bactéria nativa e juntar-se lhes para formar um genoma digital, mantendo a organização e a orientação dos genes intactos. Igualmente incluíram alguns genes do marcador, auto-replicating seqüências, e uma seqüência do vector de canela que permitisse a baixa réplica apertada da cópia nesta bactéria na origem da réplica.

Foram executado em um corte de estrada aqui quando encontraram que muitos dos blocos de apartamentos do ADN não eram disponíveis no comércio devido às limitações na síntese. Decidiram então testar sua teoria que o uso de codons sinónimos facilitaria sintetizar quimicamente a seqüência mas manter ainda as funções biológicas inalteradas. Em conformidade, criaram um projecto aperfeiçoado baseado no mais adiantado, com sobre as 10.000 mudanças nas bases do ADN, e removeram com sucesso quase 5700 limitações da síntese.

Igualmente quiseram testar sua teoria que a síntese química permitiria que encontrassem como o genoma é anotado exactamente e identificassem funções inerentes. , Incluíram conseqüentemente sobre 100.000 substituições baixas dentro dos exons. Assim, substituíram aproximadamente 56% de todos os codons por seus sinónimos.

Essencialmente, a seqüência de ácido aminado permaneceu a mesma. Ainda, todas camadas restantes de regulamento genético, incluindo quadros de leitura alternativos e outros controles escondidos dentro dos exons, foram reduzidas ao mínimo. De facto, 77% a 95% destes elementos foram removidos. Esta era permitir a identificação dos genes que precisam mais do que a seqüência de ácido aminado de ser especificados para trabalhar correctamente, vendo quais dos genes reescritos permanecem funcionais. Os genes não-funcionais devem então ser reparados, para render eventualmente uma pilha completamente artificial com um complemento completo de funções essenciais.

Os resultados

Encontraram que sobre 90% da enzima-codificação os genes retiveram a funcionalidade. Sobre 432 genes, total, restantes funcionais. Aproximadamente 100 genes tornaram-se não-funcionais, provavelmente devido às anotações erradas ou à presença de controles genéticos desconhecidos, ou porque não codificam para a proteína de todo. Esta aproximação é, conseqüentemente, útil testar a precisão da anotação de um genoma.

Quatro destes genes foram reparados em uma maneira visada, conduzindo à identificação de um elemento essencial a montante de um deles. Em alguma deles, noncoding controles dentro dos exons, implicando estes genes tinha sido anotado errada mais cedo.

As implicações

A combinação destes resultados mostra que quando os cientistas não produzirem ainda uma pilha viva, testaram e encontrou a aproximação de promessa para produzir genes do desenhista. Promete uma capacidade altamente flexível do projecto com fabricação química barata, segura. O desafio o mais grande, como sempre, é não técnico, mas as edições éticas e sociais que podem elevarar se são empregadas mal.

Journal reference:

Chemical synthesis rewriting of a bacterial genome to achieve design flexibility and biological functionality Jonathan E. Venetz, Luca Del Medico, Alexander Wölfle, Philipp Schächle, Yves Bucher, Donat Appert, Flavia Tschan, Carlos E. Flores-Tinoco, Mariëlle van Kooten, Rym Guennoun, Samuel Deutsch, Matthias Christen, Beat Christen Proceedings of the National Academy of Sciences Apr 2019, 116 (16) 8070-8079; DOI: 10.1073/pnas.1818259116

Dr. Liji Thomas

Written by

Dr. Liji Thomas

Dr. Liji Thomas is an OB-GYN, who graduated from the Government Medical College, University of Calicut, Kerala, in 2001. Liji practiced as a full-time consultant in obstetrics/gynecology in a private hospital for a few years following her graduation. She has counseled hundreds of patients facing issues from pregnancy-related problems and infertility, and has been in charge of over 2,000 deliveries, striving always to achieve a normal delivery rather than operative.

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