Joaca de-a Dumnezeu: Oamenii de știință au folosit CRISPR pentru a crea un nou „superbug” care este invincibil în fața tuturor virusurilor

Putem reprograma viața existentă după bunul plac?

Pentru biologii care se ocupă de creații sintetice, răspunsul este da. Codul central pentru biologie este simplu. Literele ADN-ului, în grupuri de trei, sunt traduse în aminoacizi – blocuri Lego care produc proteine. Proteinele ne construiesc trupul, ne reglează metabolismul și ne permit să funcționăm ca ființe vii. Proiectarea proteinelor personalizate înseamnă adesea că putem reproiecta aspecte mici ale vieții – de exemplu, obținerea unei bacterii pentru a pompa medicamente care salvează viețile, cum ar fi insulina.

Toată viața de pe Pământ respectă această regulă: o combinație de 64 de coduri de triplete ADN, sau „codoni”, sunt traduse în 20 de aminoacizi.

Dar aşteaptă. Matematica nu se pune. De ce 64 de codoni dedicați nu ar produce 64 de aminoacizi? Motivul este redundanța. Viața a evoluat astfel încât mai mulți codoni produc adesea același aminoacid. Deci, ce se petrece dacă accesăm codonii „suplimentari” redundanți ai tuturor ființelor vii și, în schimb, introducem propriul nostru cod?

Recent, o echipă de la Universitatea din Cambridge a făcut exact asta. Într-un tur de forță tehnologic, au folosit CRISPR pentru a înlocui peste 18.000 de codoni cu aminoacizi sintetici care nu există nicăieri în lumea naturală. Rezultatul este o bacterie care este practic rezistentă la toate infecțiile virale – deoarece nu are „cârligele” proteinei normale de care virusurile au nevoie pentru a infecta celula.

Dar acesta este doar începutul ingineriei superputerilor vieții. Până acum, oamenii de știință au reușit să gliseze un singur aminoacid falsificator într-un organism viu. Noua lucrare deschide ușa piratării mai multor codoni existenți simultan, editând cel puțin trei aminoacizi sintetici în același timp. Și când sunt 3 din 20, sunt suficienți pentru a rescrie fundamental viața așa cum există pe Pământ.

De mult ne-am gândit că „eliberarea unui subset de … codoni pentru încredințarea unor sarcini noi ar putea îmbunătăți robustețea și versatilitatea tehnologiei de extindere a codului genetic”, a scris dr. Delilah Jewel și Abhishek Chatterjee de la Boston College, care nu au fost implicați în studiu.

„Această lucrare transformă elegant acel vis într-o realitate.”

Spargerea codului ADN

Codul nostru genetic se află la baza vieții, moștenirii și evoluției. Dar funcționează doar cu ajutorul proteinelor. Programul de traducere a genelor, scris în cele patru litere ale ADN-ului, în elementele reale ale vieții se bazează pe o fabrică completă de decriptare celulară.

Gândiți-vă la literele ADN-ului: A, T, C și G – ca la un cod secret, scris pe o foaie lungă de hârtie încrețită înfășurată în jurul unei bobine. Grupurile de trei „litere” sau codoni sunt esența centrală – codifică ce aminoacizi produce o celulă. O moleculă mesager (ARNm), un fel de spion, copiază pe ascuns mesajul ADN și se furișează înapoi în lumea celulară, transferând mesajul către fabrica de proteine a celulei – un fel de organizație centrală de informații. Acolo, fabrica recrutează mai mulți „traducători” pentru a descifra codul genetic în aminoacizi, numiți în mod adecvat ARNt. Literele sunt grupate în trei, iar fiecare ARNt traducător își târăște fizic aminoacizii asociați către fabrica de proteine, unul câte unul, astfel încât fabrica produce în cele din urmă un lanț care se înfășoară într-o proteină 3D.

Dar, ca orice cod robust, natura a programat redundanță în procesul său de translație a ADN-ului în proteină. De exemplu, codurile ADN TCG, TCA, AGC și AGT codifică toate un singur aminoacid, serina. Din moment ce funcționează în biologie, autorii s-au întrebat: ce se petrece dacă accesăm codul respectiv, îl deturnăm și redirecționăm unele direcții ale vieții folosind aminoacizi sintetici?

Deturnarea Codului Natural

Noul studiu vede redundanța naturii ca o modalitate de a introduce noi posibilități în celule.

Pentru noi, s-a ridicat întrebarea: „am putea reduce numărul de codoni care sunt utilizați pentru codificarea unui anumit aminoacid și, prin urmare, să putem crea codoni care sunt liberi să creeze alți monomeri [aminoacizi]?”, a spus autorul principal dr. Jason Chin. De exemplu, dacă TCG este pentru serină, de ce să nu-i eliberăm pe ceilalți – TCA, AGC și AGT – pentru altceva?

Este o idee grozavă în teorie, dar o sarcină cu adevărat descurajantă în practică. Înseamnă că echipa este nevoie să meargă într-o celulă și să înlocuiască fiecare codon pe care doresc să îl reprogrameze. Cu câțiva ani în urmă, același grup a arătat că este posibil în E. Coli, bug-ul preferat al laboratorului și al farmaceuticului. La acel moment, echipa a făcut un salt astronomic în biologia sintetică prin sintetizarea întregului genom al E. Coli de la zero. În timpul procesului, ei s-au jucat și cu genomul natural, simplificându-l prin înlocuirea unor codoni de aminoacizi cu sinonimele lor – să zicem, eliminând TCG-urile și înlocuindu-le cu AGC. Dar chiar și cu modificările respective, bacteriile au reușit să prospere și să se reproducă cu ușurință.

Este ca și cum ai lua o carte foarte groasă și ai încerca să ghicești ce cuvinte să înlocuiești cu sinonimele lor fără a schimba sensul propozițiilor – astfel încât modificările să nu afecteze fizic supraviețuirea bacteriei. Un truc, de exemplu, a fost să ștergem o proteină numită „factor de eliberare 1”, ceea ce face mai ușoară reprogramarea codonului UAG cu un aminoacid nou. Lucrările anterioare au arătat că acest fapt poate atribui noi elemente de construcție codonilor naturali care sunt cu adevărat „goi” – adică nu codifică nimic natural oricum.

O creatură sintetică

Echipa lui Chin a dus acest demers mult mai departe.

Echipa a pregătit o metodă numită REXER (excizia repliconului pentru o inginerie îmbunătățită a genomului prin recombinare programată) – da, oamenii de știință se referă la backcronimele – care include instrumentul de editare a genei wunderkind (care dă naștere caracterelor excepționale, fenomenale, minune – n.n.), CRISPR-Cas9. Cu CRISPR, au scos cu precizie părți mari ale genomului bacterian E. coli, realizate în întregime de la zero în interiorul unei eprubete, și apoi au înlocuit peste 18.000 de apariții de codoni „extra” care codifică serina cu codoni sinonimi.

Deoarece trucul a vizat doar codul proteic redundant, celulele au reușit să își desfășoare activitatea normală – inclusiv producerea serinei – dar acum cu mai mulți codoni naturali. Este ca și cum ați înlocui „hi” cu „oy”, făcându-l acum pe „hi” liber să i se atribuie un sens complet diferit.

Echipa a făcut apoi curățenie în casă. Au îndepărtat traducătorii naturali ai celulelor – ARNt – care citesc în mod normal codonii acum dispăruți fără a afecta celulele. Au introdus noi versiuni sintetice ale ARNt pentru a citi noii codoni. Bacteriile proiectate au fost apoi dezvoltate în mod natural în interiorul unei eprubete pentru a crește mai rapid.

Rezultatele au fost spectaculoase. Tulpina super-alimentată, Syn61.Δ3 (ev5), este practic un X-Men bacterian care crește rapid și este rezistent la un cocktail de diferite virusuri care infectează în mod normal bacteriile.

„Deoarece toată biologia folosește același cod genetic, aceiași 64 de codoni și aceiași 20 de aminoacizi, asta înseamnă că și virusurile folosesc același cod … folosesc mecanismul celulei pentru a construi proteinele virale pentru a reproduce virusul”, a explicat Chin.

Acum, când celula bacteriană nu mai poate citi codul genetic standard al naturii, virusul nu mai poate intra în mașinile bacteriene pentru a se reproduce – ceea ce înseamnă că celulele proiectate sunt acum rezistente la deturnarea din partea aproape oricărui invadator viral.

„Aceste bacterii pot fi transformate în fabrici regenerabile și programabile care produc o gamă largă de molecule noi cu proprietăți noi, care ar putea avea beneficii pentru biotehnologie și medicină, inclusiv producerea de noi medicamente, cum ar fi antibiotice noi”, a spus Chin.

Cu excepția infecției virale, studiul rescrie ceea ce este posibil pentru biologia sintetică.

„Acest proces va permite nenumărate aplicații”, au spus Jewel și Chatterjee, cum ar fi biopolimeri complet artificiali, adică materiale compatibile cu biologia care ar putea modifica discipline întregi, cum ar fi medicamentele sau interfețele creier-mașină. Aici, echipa a reușit să strângă un lanț de aminoacizi artificiali pentru a crea un tip de moleculă care se află la baza unor medicamente, cum ar fi cele pentru cancer sau antibiotice. Dar poate că cea mai şocantă perspectivă este abilitatea de a rescrie dramatic viața existentă. Similar bacteriilor, noi – și toată viața din biosferă – operăm pe același cod biologic. Studiul arată acum că este posibil să depășim obstacolul a doar 20 de aminoacizi care alcătuiesc elementele constitutive ale vieții, folosind procesele noastre biologice naturale.

În continuare, echipa încearcă să reprogrameze codul nostru biologic natural pentru a codifica și mai multe blocuri de proteine sintetice în celule bacteriene. De asemenea, se vor îndrepta spre alte celule – mamiferiale, de exemplu, pentru a vedea dacă este posibil să ne comprimăm codul genetic.

Citiţi şi:
CRISPR – O tehnologie care poate fi folosită pentru a manipula genele
Experții UNESCO cer un moratoriu asupra editării ADN-ului uman și a eredității

yogaesoteric
26 iulie 2021