Szegedre vezetnek az első mesterséges élőlény gyökerei

A napokban járta be a sajtót egy tudományos hír (Fredens és mtsai, Nature, 2019), többek között ilyen címmel: „Ez lehet a világ első mesterséges élőlénye” (Index). Hasonló munka hasonló címmel már szerepelt a sajtóban korábban is, ez a mostani eredmény azonban valóban új mérföldkő a mesterséges sejtek készítésében. Egyetlen mondatban összefoglalva: szintetikus eredetűre cserélték le a kólibaktérium (Escherichia coli) DNS-ét, és közben megváltoztatták a genetikai kódolási rendszerét.

Miért érdekes ez? Háromféle jelentősége van a munkának:

1. A technológia alkalmazható lesz más, racionálisan tervezett sejtek készítésére.
2. Nem természetes aminosavak kódolása, ezzel újfajta, sokféle célra használható fehérjék előállítása is lehetővé válik.
3. A megváltoztatott kódolás miatt biztonsági, genetikai kommunikációs tűzfal keletkezik a mesterséges baktérium és a természetes élőlények között.

Érdemes kicsit részletesebben is kifejteni az előnyöket.

Új eljárás teljes genomok átalakításához

Ami a technológiát illeti, már ismert módszereket fűztek egybe ahhoz, hogy a tervezett kódolási módosításokat beépítve lemásolják a kólibaktérium teljes DNS-ét (genomját). A folyamat a DNS nukleotidsorrendjének megtervezésével, majd kis darabokban történő kémiai szintézisével indul. Ezeket a kisebb szakaszokat nagyobbakká (100 ezer nukleotidnyi genomszakaszokká) fűzik össze, ehhez a laboratóriumban jól kezelhető élesztőt is igénybe veszik mint köztes gazdát. A nagy genomszakaszokat azután sorban a kólisejtbe juttatják, lecserélve az eredeti, természetes szakaszokat. A végeredmény egy olyan baktérium, amelynek teljes DNS-molekulája szintetikus eredetű. Az új DNS pedig az eredeti információ mellett új, beletervezett, akár globális érvényű módosításokat is hordozhat. Az itt alkalmazott folyamat mintaként szolgálhat másféle sejtek teljes genomjának nagyszabású átalakításához is. Ráadásul a lépések egy része automatizálható, megkönnyítve a jövőbeni hasonló munkákat.

Nevezhetjük-e mesterségesnek ezt az élőlényt? Igen is, meg nem is. Az elkészítéshez élő sejtekre volt szükség, maga a fogadó gazda is egy természetes élőlény. Ugyanakkor a sejt felépítését és működését meghatározó információt hordozó DNS-t mesterségesen alakították ki.

Hasonló munkára egyébként már volt példa, Craig Venter csapata évtizedes erőfeszítéssel készített olyan Mycoplasma baktériumot, amelyet szintetikus eredetű DNS működtetett (Gibson és mtsai, Science, 2010). A Mycoplasma egyszerűsége miatt alkalmas volt a technológia demonstrálására, gyakorlati haszna azonban nincsen az alkalmazásokban. A mostani munka újabb dimenziót nyitott: egyrészt jóval nagyobb DNS-molekulát tudtak összeállítani, másrészt egy igen hasznos, a kutatásban és az iparban széleskörűen használt baktériumot vettek alapul.

Új fehérjék előállításának lehetősége

A létrehozott, Syn61 nevű kólibaktérium nem szolgai lemásolása az alapul vett baktériumtörzsnek. A genetikai kódrendszert megváltoztatták, egyszerűsítettek rajta. A természetes, univerzális genetikai kód redundáns, a 64-féle kódvariáns 20-féle aminosavat kódol, azaz egy-egy aminosavra többféle kódolás is vonatkozhat. Itt a szerin aminosavat kódoló hatféle kodon közül kettőt kihagytak, illetve másik, szinonim kodonnal helyettesítettek. Így felszabadult két kodon, pontosabban három, mivel az eredeti, háromféle stopkodonból az egyiket szintén mellőzték. Így lett a 64 elemű genetikai kódból 61 elemű, innen a Syn61 név.

Mire jók a felszabaduló kodonok? Némi egyéb manipulációval (pl. megfelelő aminoacil-tRNS-szintetáz alkalmazásával) elérhető, hogy a megüresedett funkciójú kodonokat nem természetes aminosavak kódolására használják. A fehérjerepertoár így bővíthető, soha nem látott, a szokásos aminosavakon túli építőelemeket is tartalmazó fehérjéket lehet könnyen élő sejtben előállítani. Ilyesmit eddig utólagos kémiai módosítással vagy csak részleges eredményt hozó genetikai manipulációkkal tudtak elérni. És miért jó a fehérjerepertoár bővítése? Ennek számtalan alkalmazása lehet az új gyógyszerhatóanyagok előállításától a mosóporenzimek javításáig.

Genetikai tűzfal

Gyakran felmerül az aggály, mi lesz, ha a mesterségesen megalkotott baktérium elszabadul, a gondosan kialakított genetikai tervrajz elfajul, esetleg – például vírusok közvetítésével – idegen, veszélyes gének kerülnek bele. Nos, a megváltoztatott genetikai kódrendszer tűzfalat képez a mesterséges és a természetes rendszerek között. Ha információt cserélnek, az a partnerben nem fog működni, hiszen az másként olvassa ki a genetikai utasításokat.

A kólibaktérium kromoszómájának sematikus térképe. A belső kör (fekete) mutatja az eredeti baktérium genomját (4434 gén). Piros blokkok jelölik az MDS42 változatban kiejtett genomszakaszokat (42 szakasz, összesen 704 gén). Forrás: Pósfai György

Egy Szegeden előállított baktériumot használtak

Van még egyéb érdekessége is a munkának: egy magyar szál, egy szegedi előzmény. Ugyanis nem akármilyen, a laboratóriumokban vagy az iparban gyakran használt, „vad” kólibaktérium DNS-ét vették alapul a szintetikus variánshoz, hanem az MTA SZBK Biokémiai Intézetének Genommérnöki Csoportjában készített, MDS42 nevűét. A név egy genetikailag erősen egyszerűsített kólibaktériumra utal (Multiple Deletion Strain, 42 kiejtett genomszakasszal). Többéves munkával, melybe – elsősorban bioinformatikai segítséggel – egy amerikai kutatócsoport is bekapcsolódott, precízen elimináltuk a baktérium genomjából a fölöslegesnek, illetve a kutatási-ipari felhasználás szempontjából károsnak ítélt géneket. (A munkát annak idején két fázisban közöltük: Genome Research, 2002; Science, 2006). Célunk kettős volt. Egyrészt úgy gondoltuk, a fölösleg eltávolításával hatékonyabb és genetikailag stabilabb lesz a baktérium – ebből csak a stabilitás igazolódott. Másrészt – alapkutatási szempontból – az érdekelt bennünket, meddig lehet elmenni a genetikai egyszerűsítésben anélkül, hogy komolyabban sérülnének a baktérium képességei.

Miért választották most az MDS42 kólibaktériumot a szintetikus verzióhoz? Ennek két oka van: egyrészt 4,6 millió nukleotid helyett kevesebb mint 4 milliót kellett összeszerkeszteni, másrészt hiányzott már belőle sok, a felhasználás szempontjából igazoltan felesleges vagy káros szakasz (pl. a mutációkat, genetikai instabilitást okozó „ugráló” gének).

A kapcsolat a két munka között jó példa arra, hogy egy alapvetően alapkutatási projekt később – előre nem látott módon – egy igencsak hasznos alkalmazásokkal kecsegtető munka kiindulópontjává válhat.

A mostani, szintetikus genomú baktérium valószínűleg nem lesz sokáig világrekorder a mesterségesség „versenyében”. Még drasztikusabban átalakított genetikai kódrendszerű kólibaktérium is készülőben van (szintén MDS42-alapokon), más szintetikus baktériumgenomokat is terveznek, és nincs messze a mesterséges genomú, 12 millió nukleotidból összeálló élesztőgenom befejezése sem.

Címlapképünk illusztráció, a kólibaktérium fantáziaképe, forrás: istockphoto.com.