Μια συνεχής επανάσταση στη σύνθεση DNA θα μπορούσε να βοηθήσει στην κατασκευή γονιδιωμάτων από το μηδέν

Το DNA Script, μια γαλλική εταιρεία, ανακοίνωσε μια σημαντική ανακάλυψη της ενζυματικής σύνθεσης DNA, μια τεχνική που μπορεί κάποια μέρα να βοηθήσει τους επιστήμονες να δημιουργήσουν γονιδιώματα από το μηδέν - αν και απαιτείται περαιτέρω έρευνα.

Το DNA είναι το προσχέδιο που διασφαλίζει τη λαμπρή πολυπλοκότητα και συνέχεια της ζωής. Αυτό το χημικό πολυμερές υπάρχει σε κάθε ένα από τα τρισεκατομμύρια μας κύτταρα και, σε ορισμένες περιπτώσεις, μια μόνο αλλαγή σε ένα γράμμα DNA (A, T, C και G), μπορεί να προκαλέσει σοβαρές γενετικές ασθένειες, συμπεριλαμβανομένης της κυστικής ίνωσης και της δρεπανοκυτταρικής αναιμίας .

Ο Δρ Alexander Todd, Βρετανός βιοχημικός, ήταν ένας από τους πρώτους επιστήμονες που ανέπτυξαν μεθόδους χημικής σύνθεσης πολυμερών DNA. Ο Τοντ έλαβε το Βραβείο Νόμπελ Χημείας του 1957 για το έργο του στη χημεία νουκλεοτιδίων και στη σύνθεση DNA, τα περισσότερα από τα οποία συνέβησαν στη δομή του Watson και του Crick το 1953 του DNA. Ο Todd ανέπτυξε μια μέθοδο για τη σύνθεση DNA που ονομάζεται σύνθεση Η-φωσφονικού, η οποία αντικαταστάθηκε γρήγορα από πιο αποτελεσματικές χημικές προσεγγίσεις.

Το πρωτότυπο μοντέλο Watson and Crick της δομής του DNA, βασισμένο σε εικόνες περίθλασης ακτίνων Χ από τους Rosalind Franklin και Maurice Wilkins. Αυτή η δομή στεγάζεται τώρα στο Science Museum στο South Kensington, London, UK.

Μέχρι τη δεκαετία του 1970, ο Δρ Marvin H. Caruthers, ένας αμερικανός βιοχημικός, είχε αναπτύξει έναν πολύ καλύτερο τρόπο να συνθέσει DNA που εξακολουθούσε να βασίζεται σε χημικά μέσα, αλλά ήταν πιο αποτελεσματικό και σταθερό από τις προηγούμενες προσεγγίσεις. Μέχρι σήμερα, οι περισσότερες εταιρείες που προσφέρουν συνθετικό DNA χρησιμοποιούν την προσέγγιση Caruthers, η οποία ονομάζεται μέθοδος φωσφοραμιδίτη.

Υπάρχουν μερικά σοβαρά μειονεκτήματα στις σύγχρονες μεθόδους σύνθεσης DNA, η πιο εκνευριστική εκ των οποίων είναι ότι η τεχνολογία δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη σύνθεση κλώνων DNA με επαναλαμβανόμενες νουκλεοτιδικές αλληλουχίες, διότι ομαδοποιούν και σταματούν τη διαδικασία κατασκευής. Αυτό είναι ένα σοβαρό πρόβλημα επειδή τα γονιδιώματα των ζωντανών οργανισμών συχνά περιέχουν μακρές, επαναλαμβανόμενες αλληλουχίες DNA. Καθώς οι επιστήμονες προσπαθούν να δημιουργήσουν ολόκληρα γονιδιώματα από το μηδέν, τα οποία απαιτούν εκατομμύρια ή και δισεκατομμύρια βάσεις DNA, απαιτούνται δραστικά βελτιωμένες μέθοδοι για τη σύνθεση του DNA.

Την περασμένη εβδομάδα, το DNA Script, μια εταιρεία που εδρεύει στο Παρίσι της Γαλλίας, ανέφερε ότι είχαν συνθέσει με επιτυχία ένα νήμα DNA με 50 νουκλεοτίδια χρησιμοποιώντας αποκλειστικά ενζυματικές προσεγγίσεις. Αυτό σημαίνει ότι αντί να χρησιμοποιούν τη συμβατική χημεία φωσφοραμιδίτη, χρησιμοποίησαν πρωτεΐνες για να συνθέσουν το DNA για αυτούς χωρίς την ανάγκη ακριβών αντιδραστηρίων και ασταθών ενδιάμεσων αλληλουχιών. Ενώ 50 νουκλεοτίδια μπορεί να μην ακούγονται πολύ, και η τεχνολογία δεν είναι πουθενά κοντά στις δυνατότητες σύνθεσης φωσφοραμιδίτη, η εταιρεία μπόρεσε να συνθέσει μόνο ένα νουκλεοτιδικό κλώνο DNA χρησιμοποιώντας αυτήν την προσέγγιση το 2015.

Ένα σημαντικό πλεονέκτημα που έχει η σύνθεση ενζυματικής DNA έναντι της χημείας φωσφοραμιδίτη είναι ότι η τεχνολογία, μόλις κλιμακωθεί, πιθανότατα θα είναι πολύ λιγότερο δαπανηρή από τη χημεία φωσφοραμιδίτη, επειδή δεν χρησιμοποιεί δαπανηρά (και επιβλαβή για το περιβάλλον) χημικά αντιδραστήρια.

Το DNA Script δεν είναι μόνο του στις προσπάθειές του να ξεκλειδώσει μια νέα, πιο αποτελεσματική προσέγγιση στη σύνθεση DNA. Η Nuclera Nucleics, μια εταιρεία που εδρεύει στο Ηνωμένο Βασίλειο και διαθέτει τον Dr. George Church ως επιστημονικό σύμβουλο, ανταγωνίζεται επίσης για μελλοντικό μερίδιο αγοράς.

Ο ρυθμός της έρευνας για τη σύνθεση ενζυματικών DNA προχωρά με πρωτοποριακό ρυθμό στην ακαδημαϊκή κοινότητα, επίσης - τη Δευτέρα, το εργαστήριο του Jay Keasling στο UC-Berkeley ανέφερε ένα ενζυματικό σύστημα σύνθεσης DNA που χρησιμοποιεί νουκλεοτίδια συνδεδεμένα με πρωτεΐνες πολυμεράσης για την επέκταση των κλώνων του DNA. Αυτό το έργο, με επικεφαλής τους μεταπτυχιακούς φοιτητές Daniel Arlow και Sebastian Palluk, αποδεικνύει ότι το νέο σύστημα ενζυματικής σύνθεσης μπορεί να προσθέσει ένα νέο ζεύγος βάσεων DNA σε ένα αναπτυσσόμενο σκέλος σε 10-20, και μπορεί να το κάνει χωρίς τη χρήση τοξικών αντιδραστηρίων από την προσέγγιση φωσφοραμιδίτη.

Αν και αυτή η μέθοδος σύνθεσης του ενζυματικού DNA δεν είναι τόσο αποτελεσματική ή αρκετά ακριβής για τη σύνθεση ολόκληρου του γονιδιώματος, είναι μόνο θέμα χρόνου προτού τα γονιδιώματα των οργανισμών μπορούν να σχεδιαστούν και να κατασκευαστούν από το μηδέν με γρήγορο και αποτελεσματικό τρόπο - είτε χρησιμοποιώντας ένζυμα είτε συμβατική χημεία φωσφοραμιδίτη.

Η κοινοπραξία Yeast 2.0 είναι μια συνεχής, διεθνής προσπάθεια με επικεφαλής τον Δρ Jef Boeke, γενετιστή στο NYU Langone Medical Center, για την κατασκευή του γονιδιώματος Saccharomyces cerevisiae ή ζύμης αρτοποιίας, εντελώς από το μηδέν χρησιμοποιώντας χημικές μεθόδους. Αυτό το έργο είναι ιδιαίτερα φιλόδοξο επειδή η μαγιά έχει πάνω από 12 εκατομμύρια βάσεις DNA οργανωμένες σε 16 διαφορετικά χρωμοσώματα. Ομάδες στην Αυστραλία, την Κίνα, τις ΗΠΑ, το Ηνωμένο Βασίλειο και τη Σιγκαπούρη είναι υπεύθυνες για την κατασκευή τμήματος του γονιδιώματος. Το πρώτο συνθετικό χρωμόσωμα για την κοινοπραξία Yeast 2.0 ολοκληρώθηκε τον Μάρτιο του 2014. Έκτοτε, πέντε επιπλέον χρωμοσώματα έχουν ολοκληρωθεί.

Η ζύμη Baker, η οποία χρησιμοποιείται για την παρασκευή μπύρας και την παρασκευή ψωμιού, είναι το επίκεντρο του έργου Yeast 2.0, το οποίο στοχεύει στη σύνθεση ολόκληρου του γονιδιώματός του χρησιμοποιώντας χημική σύνθεση DNA.

Χωρίς ικανοποίηση για ξεκούραση, οι επιστήμονες θα συνεχίσουν να ωθούν το περίβλημα της σύνθεσης του γονιδιώματος. Μια πρωτοβουλία, η οποία βρίσκεται ακόμη στα σπάργανα, ονομάζεται GP-Write. Με επικεφαλής τον Drs. Ο George Church και ο Jef Boeke, GP-Write στοχεύουν στην αποκάλυψη κατευθυντήριων βιολογικών αρχών που θα επιτρέψουν την ταχεία, οικονομικά αποδοτική σύνθεση γονιδιωμάτων μεγάλης κλίμακας από το μηδέν. Καθώς αυτή η κοινοπραξία μεγαλώνει και συνεχίζει να προσλαμβάνει κορυφαίους επιστήμονες από όλο τον κόσμο, είναι μόνο θέμα χρόνου προτού ένα ανθρώπινο γονιδίωμα μπορεί να κατασκευαστεί εντελώς de novo, πιθανώς με τις ενζυματικές προσεγγίσεις σύνθεσης DNA που είναι πρωτοπόρες σήμερα.

Θέλετε να ενημερώνεστε για τα τελευταία νέα στην επιστήμη και την τεχνολογία;

Βρείτε μας στο Facebook

Ακολουθήστε μας στο Twitter.

Χτυπήστε εάν σας άρεσε αυτό το άρθρο και αφήστε ένα σχόλιο παρακάτω με τις ερωτήσεις σας.