معلومة

هل يمكن تصنيع بروتين ديستروفين صناعيا؟


هل يمكن تصنيع بروتين ديستروفين صناعيًا وإذا كان الأمر كذلك هل يمكن لمرضى DMD (ضمور العضلات الدوشيني) الاستفادة منه؟

// الآن ليس لدي الكثير من الخلفية العلمية بخلاف مؤهل علم الأحياء من المدرسة الثانوية

التقيت بشخص آخر في نفس عمري يعاني من ضمور العضلات ، لذلك قمت ببعض الأبحاث وأدى فضولنا إلى طرح هذا السؤال.

آسف إذا استخدمت العلامات الخاطئة أو / وهذا السؤال غير مسموح به.


سؤال رائع.

نعم ، يكاد يكون من المؤكد أنه من الممكن تصنيع أي بروتين تقريبًا بشكل مصطنع. يمكن أن تكون هناك صعوبات مع بروتينات معينة ، ولكن هذه مشاكل هندسية أكثر منها حدود حقيقية للتوليف الاصطناعي.

تكمن المشكلة في الحصول على البروتين حيث يجب أن يكون فعالاً!

يعتبر الأنسولين مقارنة رائعة. الأنسولين هو بروتين تنظيمي مهم يطفو في مجرى الدم. هذا يجعل العلاج بالأنسولين حلاً مباشرًا نسبيًا لمشكلة نقص الأنسولين: كل ما عليك فعله هو صنع أو عزل بعض الأنسولين وحقنه في مجرى الدم.

ومع ذلك ، فإن الديستروفين هو بروتين هيكلي يعمل داخل الخلايا. البروتينات كبيرة حقًا ، ولا يمكن أن تمتصها الخلايا ببساطة. لا توجد آلية للحصول على بروتين تعسفي بالداخل: أي بروتينات يمكن أن تمتصها الخلايا تحتاج إلى القيام بذلك عبر آلية متخصصة.

إذا كنت ترغب في استبدال أليل معيب للديستروفين ، فإن الطريقة الأكثر جدوى ستكون العلاج الجيني: الحصول على خلايا المريض لإنتاج نسخة وظيفية من البروتين. تعتبر الجهود المبذولة لاستبدال الديستروفين كليًا أو جزئيًا عن طريق العلاج الجيني مجالًا حاليًا للبحث ، ولكن لا تزال هناك العديد من التحديات التي تواجه مناهج العلاج الجيني بشكل عام.


مراجع

Harper، S.Q.، Hauser، M.A، DelloRusso، C.، Duan، D.، Crawford، R.W، Phelps، S.F،… & Chamberlain، J. S. (2002). المرونة المعيارية للديستروفين: الآثار المترتبة على العلاج الجيني لحثل دوشين العضلي. طب الطبيعة ، 8 (3) ، 253.

McGreevy، J.W، Hakim، C.H، McIntosh، M.A، & Duan، D. (2015). نماذج حيوانية من الحثل العضلي الدوشيني: من الآليات الأساسية إلى العلاج الجيني. نماذج وآليات المرض، 8 (3) ، 195-213.

Pichavant ، C. ، Aartsma-Rus ، A. ، Clemens ، P. R. ، Davies ، K. E. ، Dickson ، G. ، Takeda ، S.I ،… & Tremblay ، J.P (2011). الوضع الحالي للأساليب العلاجية الصيدلانية والوراثية لعلاج ضمور العضالت - دوشن. العلاج الجزيئي، 19 (5) ، 830-840.

Verhaart ، I. E. ، & Aartsma-Rus ، A. (2012). العلاج الجيني للحثل العضلي الدوشيني. الرأي الحالي في علم الأعصاب ، 25 (5) ، 588-596.


سنترومير

السنتروميرات الاصطناعية أو الاصطناعية

في أواخر التسعينيات ، تم تصميم الكروموسومات البشرية الاصطناعية (HACs) لأول مرة كطريقة لتشريح الحد الأدنى من العناصر الأساسية المطلوبة لتجميع السنترومير ووظيفته. تم تنفيذ استراتيجيتين هندسيتين. في الأول ، "نهج من أسفل إلى أعلى" ، تم إدخال تراكيب كبيرة من الحمض النووي تحتوي على 30 كيلو بايت على الأقل من تسلسلات الأقمار الصناعية ألفا على شكل DNA عاري عن طريق تعداء الجسيم الشحمي في الخلايا البشرية المستزرعة. تم دمج هذه التركيبات إما في أذرع الكروموسوم أو ، بشكل أكثر شيوعًا ، تم الاحتفاظ بها ككروموسومات مستقلة تقوم بتجميع البروتينات المركزية وتشكيل الحركية الوظيفية. في الطريقة الثانية ، "النهج من أعلى إلى أسفل" ، تم اقتطاع الكروموسومات البشرية الذاتية بشكل تسلسلي لتحديد الوحدات الصبغية الدنيا التي تم فصلها بشكل صحيح في الانقسام الفتيلي. استنادًا إلى استقرار الكروموسومات الصغيرة بعد الاقتطاع ، تم تحديد أن DNA الساتل ألفا والأجزاء الصغيرة من pericentromere المرافقة كافية لوظيفة centromere واستقرار الكروموسوم.

في دراسات أكثر حداثة ، كانت أنظمة HAC عبارة عن أنظمة نموذجية فريدة لتوضيح بيئات الكروماتين التي تعزز ، أو تتوافق مع ، التجميع والوظيفة المركزية. أظهرت تجارب ربط البروتين أن مُعدِّلات محددة للكروماتين تؤثر تأثيراً عميقاً على وظيفة السنترومير. إلغاء النسخ عن طريق استنفاد علامات متجانسة اللون أو عن طريق توظيف مثبط نسخي يرتبط بفقدان استقرار HAC وعدم القدرة على تحميل CENP-A جديد. علاوة على ذلك ، يؤدي توظيف منشط النسخ أيضًا إلى فقدان استقرار HAC وتعطيل وظيفة centromere. تشير هذه الدراسات إلى أنه يتم الحفاظ على توازن كروماتين حقيقي وكروماتين مغاير بشكل صارم في السنترومير وتؤكد على قوة تقنيات HAC في تشريح وفهم بيولوجيا السنترومير. مع مزيد من التطوير ، ستكون HACs أدوات مفيدة لدراسة التعبير الجيني المستقر وبناء ناقلات علاجية للهندسة الوراثية أو علاج الأمراض البشرية.


اللحوم الاصطناعية: كيف جعلها أغلى برجر في العالم على الطبق

بدأ أغلى همبرغر في العالم ، منذ حوالي ثلاثة أشهر ، بتربية الأبقار في المزارع العضوية.

ومع ذلك ، كان هناك القليل جدًا من الرعوية التقليدية حول الطريقة التي تم بها: بدأت العملية باستخراج الخلايا الجذعية من خزعة من بقرتين ، بلانك بلو بلانك وأكويتين أشقر.

استخدم الدكتور مارك بوست وفريقه في جامعة ماستريخت هذه الخلايا لزراعة 20000 ألياف عضلية في آبار الاستنبات الفردية ، كل واحدة عبارة عن طوق صغير من البروتين الأبيض المائل للرمادي معلق في وسط نمو يشبه الهلام يحتوي على مضادات حيوية ومصل مستخرج من أجنة البقر. .

بعد بضعة أسابيع من النمو ، تمت إزالة كل طوق من الألياف يدويًا وفتحه وتقويمه. تم بعد ذلك ضغط الألياف معًا ، وتلوينها بعصير الشمندر وخلطها مع الزعفران وفتات الخبز وبعض المكونات الرابطة لتشكيل البرغر - مطابق بيولوجيًا للحوم البقر ، ولكنه ينمو في المختبر. بلغت التكلفة الإجمالية للمشروع 250 ألف يورو (215 ألف جنيه إسترليني) بتمويل من المؤسس المشارك لشركة جوجل سيرجي برين.

قال برين في فيلم بمناسبة حدث التذوق في لندن يوم الاثنين "إنه في الحقيقة مجرد دليل على المفهوم في الوقت الحالي ، نحن نحاول صنع أول هامبرغر من لحم البقر المستزرع". "من هناك ، أنا متفائل بأنه يمكننا حقًا التوسع بسرعة فائقة."

قال برين إنه تم نقله للاستثمار في التكنولوجيا لأسباب تتعلق بالحيوان. وقال إن الناس كانت لديهم صورة خاطئة عن إنتاج اللحوم الحديث من حيث "المزارع البكر" التي يوجد فيها عدد قليل من الحيوانات. "عندما ترى كيف يتم التعامل مع هذه الأبقار ، فمن المؤكد أن هذا شيء لست مرتاحًا له".

كان حدث يوم الاثنين في لندن ، حيث طبخ طاهٍ وخدم البرجر الصناعي في الأماكن العامة ، تتويجًا لسنوات من البحث الذي أجرته Post بهدف إثبات أن طريقة زراعة البروتين هذه يمكن أن تكون يومًا ما بديلاً قابلاً للتطبيق للحوم من الماشية.

قال بوست لصحيفة الغارديان قبل الحدث في لندن: "الأبقار غير فعالة للغاية - فهي تتطلب 100 جرام من البروتين النباتي لإنتاج 15 جرامًا فقط من البروتين الحيواني الصالح للأكل". "لذلك نحن بحاجة إلى إطعام الأبقار كثيرًا حتى نتمكن من إطعام أنفسنا. نفقد الكثير من الطعام بهذه الطريقة." مع اللحوم المستنبتة ، يمكن للعلماء جعل إنتاج اللحوم أكثر كفاءة لأنهم يستطيعون السيطرة على جميع المتغيرات. كما أنهم لا يحتاجون إلى ذبح أي أبقار.

إن شهية الإنسان للحوم تعني أن 30٪ من سطح الأرض القابل للاستخدام مغطى بأراضي المراعي للحيوانات ، مقارنة بـ 4٪ فقط تستخدم مباشرة لإطعام البشر. يبلغ إجمالي الكتلة الحيوية لماشيتنا ضعف ما لدى البشر على هذا الكوكب ويمثل 5٪ من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون و 40٪ من انبعاثات الميثان - وهو غاز دفيئة أكثر فاعلية.

بحلول عام 2060 ، من المتوقع أن يرتفع عدد السكان إلى 9.5 مليار نسمة ، ومع زيادة الطلب على اللحوم من السكان الذين يتطورون بسرعة في الصين والهند على سبيل المثال ، من المتوقع أن يتضاعف سوق اللحوم بحلول منتصف القرن. إذا تضاعفت كمية اللحوم التي ننتجها ، فقد تكون الماشية مسؤولة عن نصف تأثير المناخ مثل جميع السيارات والشاحنات والطائرات في العالم. في عام 2008 ، حث الدكتور راجندرا باتشوري ، رئيس الفريق الحكومي الدولي المعني بتغير المناخ التابع للأمم المتحدة ، الناس على قضاء يوم خالٍ من اللحوم في الأسبوع للمساعدة في الحد من تغير المناخ.

سيكون للطرق المختلفة لزراعة اللحوم في المختبرات تأثيرات مختلفة على البيئة ، وقال بوست إن المؤشرات الأولية تشير إلى أن لحوم معمله قللت من الحاجة إلى الأرض والمياه بنسبة 90٪ وخفضت استخدام الطاقة الإجمالي بنسبة 70٪.

أفضل طريقة لمنع هذا الضرر البيئي ، بالطبع ، هي إقناع الجميع بتناول كميات أقل من اللحوم. لكن لا أحد يعتقد أن هذا سيحدث - فالرغبة في تناول اللحوم متأصلة في عمق تطورنا ، وفقًا لما ذكره عالم الحيوانات الأولية بجامعة هارفارد ، البروفيسور ريتشارد رانجهام.

يجادل بأن تعلم كيفية طهي وأكل اللحوم كان أحد الأسباب التي جعلت العقول البشرية قادرة على النمو بنفس حجم نموها. إن اللحوم ، وهي مصدر كثيف للتغذية والسعرات الحرارية ، تعمل على تغذية أدمغة أسلافنا بطريقة لا يمكن لمنافسيها أن تضاهيها ، وكان لها تأثير دائم على طعم اللحم البشري اليوم.

"الحقيقة هي أن الناس لديهم ميل قوي جدًا للاستمتاع باللحوم ، وهو أمر لا شك فيه بسبب كل المزايا التي قدمها أثناء التطور البشري ، بما في ذلك الوصول إلى المغذيات الدقيقة النادرة - مثل الملح والحديد والزنك - ومصدر جيد للدهون ، بالإضافة إلى جزء من السعرات الحرارية ، "قال رانجهام.

"لا يمكننا تصنيف الفوائد المختلفة التي يقدمها اللحم بدقة ، ولكن يمكننا بالتأكيد أن نقول إن الصيادين في كل مكان كانوا يرغبون بشدة في الحصول عليها."

قال البروفيسور رانجهام إن اللحوم المستنبتة يجب أن تُقبل لهذا السبب وحده - لأن البشر يحبون اللحوم كثيرًا. "إنها مسألة عملية: سيستمر الناس في الرغبة في اللحوم ، وسيكون نظام إنتاج اللحوم الذي يقلل من التكاليف البيئية والأخلاقية مفيدًا للغاية." هذا المذاق القديم للحوم سيوفر سوقًا راغبًا في المنتجات المستنبتة ، كما يقول كاتب ومعلق الطعام جاي راينر ، عندما يمكن إتقان التكنولوجيا. "ما ستراه [في النهاية] هو فصل. فمن ناحية ، ستحصل على قطع اللحم الأولية ، وستكون هذه لحومًا للمناسبات الخاصة - إذا كنت تريد شريحة لحم أو مفصل أو دجاجة كاملة ، فستحصل على هذه الأشياء ، ولكن بشكل أقل انتظامًا مما تفعله الآن. ولكن إذا كنت تريد أن يصنع البروتين الحيواني ، ربما ، برجر رخيصًا أو لازانيا أو شيء من هذا القبيل ، فحينئذٍ ستذهب إلى البدائل ، والتي قد تكون في المختبر اللحوم أو ربما يكون بروتين الحشرات ".

يضيف راينر أن اللحوم المستزرعة تقليديًا باهظة الثمن بالفعل ، وستزداد قيمتها فقط ، وهي مسألة وقت فقط قبل أن يبدأ أفراد الجمهور في تبني البدائل.

هناك العديد من العقبات قبل أن يتمكن Post من توسيع نطاق عمليته للتصنيع على نطاق واسع - ثقافة الخلية ليست رخيصة - ولكن لديه آمال كبيرة. "بعد عشرين عامًا من الآن ، إذا كان لديك خيار في السوبر ماركت بين منتجين متطابقين ويذوقان ويشعران بنفس المذاق ولهما نفس السعر - أحدهما مصنوع بطريقة صديقة للبيئة ، بموارد أقل بكثير ويوفر الطعام الأمن للسكان وليس له أي دلالات على الرفق بالحيوان - فالاختيار سيكون سهلاً نسبيًا ". "سيبدأ الناس في تفضيل هذا النوع من المنتجات وبعد ذلك سيغير إنتاج اللحوم تدريجياً."

أول همبرغر صنعه بسيط نسبيًا ، مجرد بروتين نقي. قد يكون جيدًا بما يكفي كدليل على المفهوم ، لكنه بعيد كل البعد عن كونه بديلاً سلسًا للحوم. كبداية ، لا يحتوي على دهون أو دم ، حيث يأتي الكثير من نكهة اللحوم.

وبالتالي ، فإن جدول الأعمال التالي بالنسبة لفريق Post هو إضافة الخلايا الدهنية المزروعة في المختبر إلى البروتين ، وربما حتى الخلايا العظمية لأولئك الذين يرغبون في الحصول على شريحة لحم من عظم T. وقال "التكنولوجيا الآن محصورة في قطع صغيرة لأنه يتعين عليك إدخال الأكسجين والمواد المغذية في الأنسجة لإبقائها على قيد الحياة". "بالنسبة للقطع الأكبر ، نحتاج إلى تطوير تقنيات مختلفة تم وصفها في المجال الطبي ، ولكن لم يتم تطبيقها على إنتاج اللحوم بعد." وهذا يعني بناء شيء يشبه الأوعية الدموية في اللحم ، والتي يمكن أن توفر السوائل والأكسجين والمواد المغذية لمركز الأنسجة أثناء نموها.

يقر Post أنه سيكون من الضروري إنتاج منتج يبدو وطعمه تمامًا مثل اللحوم الحقيقية. وإذا وجدوا أن هناك سوقًا للحوم الأبقار المستزرعة ، فيمكن استخدام نفس الأساليب لزراعة البروتينات الأخرى مثل الدجاج أو الضأن أو السمك أو لحم الخنزير في المختبر.

قد يجادل النقاد بأن عقد حدث عام لعرض العمل بدلاً من تقديم النتائج في مجلة يراجعها الأقران يمكن أن ينفر الزملاء العلميين ، الذين سيكونون متشككين في العمل. رد بوست هو أن معظم الأساليب التي يستخدمها - بما في ذلك الهندسة وزيادة أعداد الخلايا الجذعية للأبقار - قد تم نشرها بالفعل في المجلات. وقال إن همبرغره كان نتيجة للقوة الغاشمة في إنتاج مواد أكثر من أي شخص آخر حتى الآن. وقال "من وجهة النظر التكنولوجية ، هناك القليل من الأسرار هنا".

يجب أيضًا إثبات سلامة أي لحوم مستنبتة للبيع للجمهور. وقالت وكالة معايير الغذاء إن "أي طعام جديد ، أو طعام يتم إنتاجه باستخدام عملية إنتاج جديدة ، يجب أن يخضع لتقييم سلامة صارم ومستقل قبل طرحه في السوق". وقال الجيش السوري الحر إنه لا توجد مثل هذه الطلبات حتى الآن.

على صعيد الرفاهية ، قال جوليان سافوليسكو ، أستاذ الأخلاق العملية في جامعة أكسفورد ، إن اللحوم المزروعة في المختبر تحرز درجات عالية. "توقف اللحوم الاصطناعية عن القسوة على الحيوانات ، وهي أفضل للبيئة ، ويمكن أن تكون أكثر أمانًا وفعالية ، بل وأكثر صحة. لدينا التزام أخلاقي لدعم هذا النوع من الأبحاث. إنه يرفع الإبهام الأخلاقي".

قال برين إنه كان مهتمًا بالاستثمار في التقنيات التي كانت "على أعتاب الجدوى. إذا نجحت هناك ، يمكن أن تكون تحويلية حقيقية للعالم".

واعترف بأن بعض الناس ربما يعتقدون أن اللحوم الاصطناعية هي خيال علمي. "أعتقد في الواقع أن هذا أمر جيد. إذا لم ينظر بعض الناس إلى ما تفعله على أنه خيال علمي ، فربما لا يكون تحويليًا بدرجة كافية."


يعد التعديل الأساسي للقاعدة "مشرطًا أدق" في حالة الضمور

فتحت تقنيات تحرير الجينوم الجديدة عدد الطفرات المحتملة التي يمكن معالجتها في اضطراب هزال العضلات الموروث (DMD) ، مع تقليل احتمالية إحداث تأثيرات بعيدة عن الهدف.

دراسة إثبات المفهوم المنشورة في عدد 30 أبريل 2021 من علم السلف يصف استخدام التحرير الأساسي والتحرير الأولي - وكلاهما يمكن أن يؤدي تعديلات أكثر استهدافًا من CRISPR-Cas9 - لتجاوز حذف exon 51 في جين dystrophin.

وقد ثبت أن ذلك يعيد إنتاج الديستروفين في 96.5٪ من ألياف العضلات في الفئران المعدلة وراثيًا التي تحمل طفرة DMD ، وفي الخلايا العضلية المستحثة من الخلايا الجذعية المحفزة من مرضى DMD ، في المختبر.

البحث هو الأول من نوعه الذي يوضح إمكانية استخدام التحرير الأولي والقاعدة لزيادة التعبير عن بروتين وظيفي. على هذا النحو ، فإنه يقدم أيضًا وعدًا لاضطرابات وراثية نادرة أخرى ناجمة عن الإنتاج المعيب أو غير الكافي لبروتين أساسي.

تتطلب الأساليب الحالية لتخطي exon في جين DMD بنية محددة لكل exon. إن استخدام التحرير الأساسي والأساسي سيتجاوز هذا المطلب ، وفقًا لإريك أولسون ، أستاذ البيولوجيا الجزيئية في مركز ساوثويسترن الطبي بجامعة تكساس ، الذي قاد البحث.

قال أولسون: "تم التعرف على الآلاف من الطفرات المختلفة المسببة للضمور العضلي ، لكنها تميل إلى التجمع في أجزاء معينة من جين الديستروفين". "تكمن قوة طريقتنا في أنك لست بحاجة إلى استراتيجية جديدة لتحرير الجينات لكل مريض لديه طفرة جديدة يمكنك تصحيح عدة طفرات مختلفة باستخدام نهج موحد."

أفاد أولسون سابقًا باستخدام CRISPR-Cas9 لتصحيح حذف exon 51 ، وهو الطفرة الأكثر شيوعًا في جين DMD ، مما تسبب في حوالي 13 ٪ من حالات الاضطراب. بناءً على هذا البحث ، ذهب أولسون إلى تأسيس Exonics Therapeutics في بوسطن ، ماساتشوستس ، لتطبيق تحرير الجينات CRISPR-Cas9 في علاج DMD. تم الاستحواذ على الشركة من قبل Vertex Pharmaceuticals في عام 2019 مقابل 245 مليون دولار أمريكي مقدمًا ومعالم تبلغ 1 مليار دولار أمريكي. تعمل Vertex على العديد من بنيات CRISPR-Cas9 قبل السريرية لمعالجة العديد من الطفرات المسببة لمرض ضمور العضلات.

على الرغم من أن تقنية CRISPR-Cas9 هي طريقة أكثر وضوحًا للحث على تخطي exon أو استعادة إطار القراءة المفتوح ، إلا أنها تتضمن قطعًا مزدوجًا للحمض النووي. هذا يخلق إمكانية توليد عمليات حذف أكبر أو إعادة ترتيب الكروموسومات ، والتي يمكن أن تكون ضارة.

في هذا البحث الأخير ، وصف أولسون وزملاؤه استخدام محرر قاعدة الأدينين مدمجًا مع نيكاز Cas9 لتعديل موقع لصق exon 50 من جين DMD ، وتحويل الأدينين إلى الجوانين. أعاد ذلك تعبير الديستروفين عن طريق تخطي exon 50 ، مما سمح لـ exon 49 بالالتصاق إلى exon 52.

يجسد الباحثون أيضًا استخدام المحرر الرئيسي الذي تم فيه دمج nCas9 مع نسخة عكسية لإدخال اثنين من النيوكليوتيدات بدقة في exon 52 ، واستعادة إطار القراءة المفتوح والسماح بترجمة جين dystrophin ، مما ينتج عنه بروتين وظيفي.

يمنع حذف exon 51 إنتاج 78 من الأحماض الأمينية من مجال القضيب المركزي الذي يشكل غالبية كتلة جزيء dystrophin. ومع ذلك ، فإن exon 50 يشفر فقط 36 من الأحماض الأمينية في القضيب المركزي ، ونتيجة لذلك فإن بروتين dystrophin الناتج عن الربط exon 49 إلى exon 52 يحتوي على 97٪ من الأحماض الأمينية البالغ عددها 3685 الموجودة في الجزيء الكامل الطول ، ومن المتوقع أن يكون عاليًا وظيفي.

كتب الباحثون: "تُظهر النتائج التي توصلنا إليها فعالية تحرير النوكليوتيدات لتصحيح طفرات DMD المتنوعة مع الحد الأدنى من التعديل في الجينوم".

قال أولسون: "هذه الطريقة تجعل من الممكن تصحيح عمليات الحذف الكبيرة في جين DMD عن طريق مبادلة [نوكليوتيد واحد] على وجه التحديد". "هذا المستوى من الخصوصية والكفاءة لافت للنظر."

مشرط أنعم

قال فرانشيسكو مونتوني ، المدير المشارك لمركز الأمراض العصبية والعضلية في يونيفرسيتي كوليدج لندن ، وهو أحد الخبراء البارزين في DMD ، والذي قاد التطوير السريري لأوليغنوكليوتيدات المضادة للحساسية كبقع جزيئية تجاوز exons المفقودة في جين DMD. وتعليقًا على البحث ، قال مونتوني إن أولسون قد أنتج "نتائج مغرية" "توضح كفاءة الطريقتين المختلفتين".

لتقييم خصوصية تحرير النوكليوتيدات ، تم فحص أولسون وآخرون للتحرير خارج الهدف في 8 مواقع يُتوقع أن تتأثر. لم يكشف تحليل تسلسل الجينوم عن أي تحرير ملحوظ في أي من هذه المواقع.

استنتج الباحثون أنه في حين أن محرري النيوكليوتيدات يمكنهم تحرير جميع أزواج القواعد في نافذة محددة ، فإن عمليات التحرير هذه تحدث في الإنترونات غير المشفرة أو في exon الذي سيتم تخطيه ، مما يعني أنها لا تؤثر على النسخة النهائية.

يتم تخفيف مزايا الدقة الأكبر بحجم تركيبات تحرير النيوكليوتيدات ، والتي تكون أكبر من أن تتناسب مع ناقل فيروسي واحد مرتبط بالغدة. للتغلب على هذا ، استخدم الباحثون نظامًا يسمح لشظايا البروتين المصنوعة بواسطة نواقل منفصلة بالارتباط داخل الخلية.

على الرغم من أن هذه الاستراتيجية كانت ناجحة ، إلا أنها تضمنت استخدام كمية من AAV9 مرتفعة جدًا بحيث لا يمكن استقراءها من الإدارة العضلية في الفئران إلى الإدارة النظامية في البشر ، كما أقر الباحثون. وقالوا: "ستكون هناك حاجة إلى طرق توصيل محسنة قبل استخدام هذه الاستراتيجيات لتعديل الجينوم بشكل كافٍ في مرضى ضمور العضالت - دوشن".


& # x27Impressive & # x27 feat

تبين أن Syn61 ليس قويًا بقدر ما هو طبيعي بكتريا قولونية ابن عم - ينمو بنسبة 60٪ أبطأ. على الرغم من أن هذا قد يشير إلى أنه قد يكون هناك شيء مهم بشكل أساسي حول التهجئات البديلة في الشفرة الجينية ، يعتقد جوليوس فريدنس أنهم حددوا مشكلات أصغر في Syn61 ، والتي يجب تصحيحها بسهولة لاستعادة صحة الكائن الحي بالكامل & # x27s.

أعجب توم إليس بأن البكتيريا تعمل على الإطلاق ، قائلاً: & quot ؛ هذه التغييرات الـ 18000 تعني أن كل جين في الكروموسوم سيتم تغييره - ومع ذلك فهو & # x27s لا يزال على قيد الحياة! & quot

أحد آثار إعادة الترميز هو أنه يفصل Syn61 عن الحياة الأخرى. حتى الآن ، كانت الكائنات الحية قادرة على مبادلة الجينات ، غالبًا عن طريق الفيروسات ، لأنها تشترك جميعًا في نفس اللغة الأساسية. الآن ، سيجد الفيروس الذي يحاول إصابة Syn61 أن الخلية المضيفة تفتقر إلى الأدوات اللازمة لترجمة الحمض النووي الفيروسي ، وستفشل المحاولة.

يسمي جورج تشيرش هذا & quotcliffhanger & quot. في محاولة سابقة في مختبره ، مع مجموعة محدودة من التعديلات ، لا يزال واحد من كل خمسة فيروسات قادرًا على التكاثر.

& quot؛ سيشجع نجاح تشين & # x27s بقيتنا على العمل لجعل العديد من الكائنات الحية (الميكروبات الصناعية والنباتات والحيوانات والخلايا البشرية) مقاومة لجميع الفيروسات من خلال نهج إعادة الترميز هذا ، كتب تشرش في رسالة بريد إلكتروني.

يقول تشين إن هذا الاختبار لم يتم تجربته بعد مع Syn61 ، لكنه يحتل مكانة عالية في قائمة المهام الخاصة بهم.

لكن الخطة الكبرى لـ Chin & # x27s هي جعل الكيمياء الحيوية أكثر تنوعًا.

مع 61 فقط من Syn61 & # x27s ، 64 كودونًا محتملًا تم تناولها كتعليمات للأحماض الأمينية الطبيعية (ومن هنا جاء الاسم) ، مما يترك ثلاثة يمكن إعادة تخصيصها الآن لأخرى غير طبيعية يمكن أن تقدم كيمياء جديدة تمامًا في الخلية.

لقد كان تشين رائدًا في هذا النوع من البيولوجيا التركيبية ، حيث قدم عناصر تجعل البروتينات تتوهج ، أو تستجيب للضوء من خلال تنشيطها ، أو إيقاف تشغيلها.

يعتقد فريدنس أنه قد يكون هناك بالفعل 200 لبنة بناء غير طبيعية يمكن إدخالها في كيمياء البروتين بهذه الطريقة ، وأن هذه ستعمل مع التقنيات التي تم تطويرها بالفعل في LMB وأماكن أخرى.

& quotIt & # x27s يذهل العقل أنه يمكنك توسيع الأبجدية الجينية بهذه الطريقة ، & quot؛ يعترف فريدنس. & quot

ينصب تركيز Chin & # x27s بشكل كبير على ما ستفعله الفرص للعلم ، والتحدث عن البروتينات البديلة التي ستتجسس على الأعمال الداخلية للخلايا ، أو تساعد شركات الأدوية على بناء عقاقير أفضل. لكن الاحتمالات لا حصر لها. يتكهن توم إليس بفكرة توصيل الخطافات الجزيئية بالبروتينات التي تسمح لها بالتواصل معًا لإنشاء شبكات جزيئية واسعة في المواد الذكية.

قد يبدو وكأنه عالم جزيئي جديد شجاع ، لكن تشين يقول إنه لا ينبغي أن يكون مخيفًا.

& quot الناس لديهم مخاوف مشروعة & quot؛ فهو يقبل. & quot هناك استخدام مزدوج لأي شيء نخترعه. ولكن ما هو مهم هو أن لدينا نقاشًا حول ما يجب وما يجب علينا فعله & # x27t. وأن هذه التجارب تتم بطريقة مسيطر عليها بشكل جيد. & quot


هل يمكن تصنيع بروتين ديستروفين صناعيا؟ - مادة الاحياء

أدخلت BASF جينًا في نبات الذرة يجعلها أكثر مقاومة للجفاف. الصورة: BASF

تركز معظم العلوم البيئية على كيفية إعادة عقارب الساعة إلى الوراء ، وليس دفعها إلى الأمام ، كما يقول بن بوستيك ، عالم الكيمياء الجيولوجية في مرصد لامونت دوهرتي للأرض. قال: "نفكر في كيفية تقليص بصمتنا ، وليس كثيرًا في كيفية جعل بصمتنا أكبر بطريقة إيجابية". "ولكن هناك العديد من الأمثلة على البيولوجيا التركيبية التي أعتقد أنها تمتلك بالفعل الكثير من الإمكانات في البيئة. فكر في كيف يمكننا مساعدة بيئتنا فقط من خلال القيام بأشياء مثل تحسين المواد التي نصنعها باستخدام البيولوجيا التركيبية ".

البيولوجيا التركيبية (synbio) هي بناء المكونات البيولوجية ، مثل الإنزيمات والخلايا ، أو الوظائف والكائنات الحية غير الموجودة في الطبيعة ، أو إعادة تصميمها لأداء وظائف جديدة. يحدد علماء البيولوجيا التخليقية التسلسلات الجينية التي تعطي الكائنات الحية سمات معينة ، وتخلقها كيميائيًا في المختبر ، ثم تُدخلها في الكائنات الحية الدقيقة الأخرى ، مثل بكتريا قولونية، بحيث تنتج البروتينات أو الخصائص أو الوظائف المرغوبة.

منذ عام 2011 ، عندما كتبت مقدمة عامة لـ synbio ، نما المجال بسرعة.

أحد أسباب ذلك هو تطوير أداة تحرير الجينات CRISPR-Cas9 ، التي استخدمت لأول مرة في عام 2013 ، والتي تحدد مواقع الحمض النووي وتقطعها وتحل محلها في مواقع محددة. سبب آخر هو مدى سهولة استخدام سجل الأجزاء البيولوجية المعيارية ، والذي يضم أكثر من 20000 جزء جيني أو BioBricks التي يمكن طلبها واستخدامها لإنشاء كائنات أو أنظمة اصطناعية جديدة.

في عام 2018 ، ضخ المستثمرون 3.8 مليار دولار واستثمرت الحكومات في جميع أنحاء العالم 50 مليون دولار في شركات synbio. بحلول عام 2022 ، من المتوقع أن يصل حجم السوق العالمية لتطبيقات synbio إلى 13.9 مليار دولار. لكن البيولوجيا التركيبية لا تزال مثيرة للجدل لأنها تنطوي على تغيير الطبيعة وإمكاناتها ومخاطرها غير مفهومة تمامًا.

بوستيك ، الذي يعمل على معالجة تلوث المياه الجوفية بالزرنيخ عن طريق تحفيز البكتيريا الطبيعية لإنتاج المواد التي يلتصق بها الزرنيخ ، أوضح أن المجتمع البيولوجي بأكمله الذي يعمل على الكائنات الحية يغير النظم البيولوجية طوال الوقت ، ولكن لا تغير المادة الجينية. أو الكائنات الحية. يقوم العلماء بحذف الإنزيمات وإدخال أنزيمات جديدة وتغيير أشياء مختلفة من أجل فهم العالم الطبيعي "هذه تقنيات قياسية الآن ولكن يتم إجراؤها ميكانيكيًا" ، قال. "إذا كنت تريد أن ترى كيف يعمل البروتين ، فماذا تفعل؟ إنك في الواقع تغيره - هذه بالضبط هي الطريقة التي درسنا بها بيئتنا. إنها اصطناعية وهي تعديلات بيولوجية ولكن لم يتم القيام بها للغرض الذي يحدد البيولوجيا التركيبية ". تعتبر Synbio أكثر إثارة للجدل لأن الغرض منها هو بناء أنظمة بيولوجية اصطناعية غير موجودة بالفعل في العالم الطبيعي.

ومع ذلك ، فإن البيولوجيا التركيبية تنتج بعض الحلول المحتملة لمشاكلنا البيئية الأكثر استعصاءً. وهنا بعض الأمثلة.

التعامل مع التلوث

تم استخدام الميكروبات لاستشعار الملوثات البيئية وتحديدها وتحديد كميتها لعقود. الآن أجهزة الاستشعار الميكروبية المركبة قادرة على استهداف سموم معينة مثل الزرنيخ ، والكادميوم ، والزئبق ، والنيتروجين ، والأمونيوم ، والنترات ، والفوسفور ، والمعادن الثقيلة ، والاستجابة بعدة طرق. يمكن تصميمها لتوليد إشارة كهروكيميائية أو حرارية أو صوتية أو مضيئة عند مواجهة الملوث المحدد.

تم استخدام تقنية كريسبر لإعطاء ذباب الفاكهة عيون مشعة حمراء. الصورة: NICHD

يمكن لبعض الميكروبات تطهير التربة أو الماء بشكل طبيعي. يمكن أن يؤدي تصنيع بروتينات معينة ونقلها إلى هذه البكتيريا إلى تحسين قدرتها على الارتباط أو تحلل المعادن الثقيلة أو النويدات المشعة. أعطيت إحدى بكتيريا التربة دوائر تنظيمية جديدة توجهها لاستهلاك المواد الكيميائية الصناعية كغذاء. يعمل الباحثون في اسكتلندا على هندسة البكتيريا لتحويل المعادن الثقيلة إلى جسيمات نانوية معدنية ، والتي تستخدم في الطب والصناعة والوقود.

تستخدم CustoMem في المملكة المتحدة البيولوجيا التركيبية لإنشاء مادة حبيبية تجذب الملوثات الدقيقة وتلتصق بها مثل المبيدات الحشرية والمستحضرات الصيدلانية وبعض المواد الكيميائية في مياه الصرف الصحي. ويحاول الباحثون الأستراليون إنشاء بنية متعددة الخلايا يسمونها "قناديل البحر الاصطناعية" التي يمكن إطلاقها بعد تسرب سام لتفكيك الملوثات.

الحفاظ على التنوع البيولوجي

يستخدم العلماء البيولوجيا التركيبية لجعل أشجار الكستناء الأمريكية أكثر مقاومة للفطريات القاتلة. الصورة: جو بلو

سيطرت أشجار الكستناء الأمريكية على الساحل الشرقي للولايات المتحدة حتى عام 1876 ، عندما دمرها فطر يحمل بذور الكستناء المستوردة ، تاركًا أقل من واحد في المائة بحلول عام 1950. لصنع أشجار مقاومة للآفات ، أدخل العلماء جينًا من القمح في أجنة الكستناء ، مما مكن منهم لصنع إنزيم يزيل سموم الفطريات. من المرجح أن تصبح شجرة الكستناء هذه أول كائن معدل وراثيًا يتم إطلاقه في البرية بمجرد الموافقة عليه من قبل وزارة الزراعة وإدارة الغذاء والدواء (FDA) ووكالة حماية البيئة (EPA).

تحاول منظمة Revive & amp Restore ، وهي منظمة تستخدم التقنيات الوراثية للحفاظ على التنوع البيولوجي ، إنقاذ النمس المهددة بالانقراض ، والتي تكون عرضة للطاعون الحرجي. نظرًا لأن النمس المنزلي ليس كذلك ، يدرس العلماء إمكانية العثور على الجينات التي تعطي مقاومة النمس المحلية وتحريرها في جينوم النمس ذي القدم السوداء. سيبدأ البحث بمزارع الخلايا في المختبر.

محركات الجينات هي آليات تنشر سمة وراثية مرغوبة من خلال مجموعة سكانية للتحكم في الأنواع الغازية. تم مؤخرًا النظر في محرك الجينات للسيطرة على بلح البحر الذهبي ، الذي غزا مياه أمريكا الجنوبية وأمريكا اللاتينية. بعد تحديد الجينات المتعلقة بالتكاثر والعقم في بلح البحر الذهبي ، اقترح العلماء استخدام تقنية CRISPR-Cas9 لتعديل جينوم بلح البحر لجعل الإناث عقيمة. سيتم بعد ذلك تربية بلح البحر المعدل وراثيًا مع بلح البحر البري في المختبر ، مما ينتج عنه أجنة معدلة يمكن إطلاقها في البرية لنشر العقم بين السكان. لقد نجح محرك الجينات للقضاء على البعوض الذي يحمل الملاريا في المختبر ، ولكن لم يتم تجربة محرك الجينات المهندسة في هذا المجال حتى الآن.

تحتوي قشرة التربة هذه على البكتيريا الزرقاء والطحالب والفطريات والأشنات. الصورة: كتب الشراب

يعمل بعض العلماء أيضًا على تعديل جينومات المرجان لمنحها مزيدًا من المقاومة لارتفاع درجات حرارة المحيطات والتلوث وتحمض المحيطات. اقترح آخرون تعديل جينات البكتيريا الزرقاء التي تؤثر على الرطوبة في قشرة التربة في النظم البيئية شبه الصحراوية بحيث تحتفظ التربة بمزيد من المياه ويمكن أن تنمو المزيد من النباتات.

إطعام العالم

مع توقع وصول عدد سكان العالم إلى 10 مليارات نسمة بحلول عام 2050 ، يمكن أن يرتفع الطلب العالمي على الغذاء بنسبة 59 إلى 98 في المائة. إن تأثيرات تغير المناخ - ارتفاع درجات الحرارة ، والطقس القاسي ، والجفاف ، وزيادة مستويات ثاني أكسيد الكربون وارتفاع مستوى سطح البحر - تعرض للخطر كمية ونوعية إمداداتنا الغذائية.

اكتشف الباحثون في جامعة كاليفورنيا ، سان دييغو أنه عندما تواجه النباتات ظروفًا جافة ، فإنها تفرز هرمونًا يغلق مسام النبات من أجل الاحتفاظ بالمياه ، ويبطئ نموه ويبقي البذور نائمة. ومع ذلك ، فإن تصنيع هذا الهرمون مكلف ، لذلك عمل العلماء مع مستقبلات مطورة صناعياً في نباتات الطماطم والتي استجابت بطريقة مماثلة للحفاظ على المياه لمبيد فطري شائع الاستخدام بدلاً من ذلك ، مما يجعل النباتات أكثر مقاومة للجفاف.

حدد علماء معهد سالك الجينات التي تشجع نظام جذر النبات على النمو بشكل أعمق في التربة. إنهم يخططون لهندسة المسارات الجينية لتحفيز الجذور العميقة ، مما سيمكن نباتات المحاصيل من مقاومة الإجهاد ، وعزل المزيد من الكربون وإثراء التربة.

تمنحها الميكروبات التي تعيش مع البقوليات القدرة على تحويل النيتروجين من الغلاف الجوي إلى مغذيات يحتاجها النبات للنمو. ومع ذلك ، نظرًا لأن النباتات الأخرى لا تستطيع استيعاب النيتروجين بشكل طبيعي ، فقد استخدم المزارعون عادةً الأسمدة الكيماوية. ينتج عن إنتاج الأسمدة ، المصنوع أساسًا من الوقود الأحفوري ، انبعاثات غازات الاحتباس الحراري وزيادة المغذيات. كبديل ، قامت شركة Pivot Bio ، وهي شركة في كاليفورنيا ، بهندسة جينات ميكروب يعيش على جذور نباتات الذرة والقمح والأرز لتمكين الميكروب من سحب النيتروجين من الهواء وإطعامه للنبات مقابل العناصر الغذائية. . In field tests, its nitrogen-producing microbe for corn yielded 7.7 bushels per acre more than chemically fertilized fields.

Agriculture, including raising livestock, is responsible for about 8 percent of U.S. greenhouse gas emissions. Genetically modified microbes are being used to produce food that is more sustainable, ethical and potentially healthier. Motif Ingredients is developing alternative protein ingredients without animal agriculture. It uses engineered microbes to produce food proteins that can be tailored to mimic flavors or textures similar to those found in beef and dairy.

The Impossible Burger. Photo: Dale Cruse

Impossible Foods’ plant-based burger contains synthesized heme, the iron-containing molecule found in animals and plants that gives meat its bloody flavor. To make it, scientists added a plant gene to yeast, which, after fermentation, produced large quantities of the heme protein. Impossible Burger uses 75 percent less water and 95 percent less land than a regular beef burger, and produces 87 percent fewer greenhouse gas emissions.

As the demand for seafood grows globally (fishing stocks are already 90 percent overfished), so does the need for fishmeal, the protein pellets made of ground up small fish and grain that feed farmed fish as well as livestock. California-based NovoNutrients uses CO2 from industrial emissions to feed lab-created bacteria, which then produce protein similar to the amino acids fish get by eating smaller fish the bacteria replace the fishmeal, providing the fish with protein and other nutrients.

Creating greener products

Burning fossil fuels for energy accounted for 94 percent of total U.S. anthropogenic CO2 emissions in 2016, so a lot of research is aimed at creating better biofuels that don’t compete with food production, soil nutrients or space. The latest generation of biofuels focuses on engineered microalgae, which have high fat and carbohydrate content, grow rapidly and are relatively robust. Altering their metabolic pathways enables them to photosynthesize more efficiently, produce more oil, absorb more carbon, and be hardier so that their numbers can be scaled up.

The National Renewable Energy Lab is studying microalgae for biofuels
Photo: DOE

LanzaTech in Illinois identified an organism that naturally makes ethanol from industrial waste gases. After the company engineered it with “pathways” from other organisms to improve its performance, the organism is able to produce unique molecules for valuable chemicals and fuels. LanzaTech’s first commercial plant in China has produced over seven million gallons of ethanol from steel mill emissions that can be converted into jet fuel and other products.

165 million tons of plastic have trashed the oceans, with almost 9 million more tons being added each year. Synbio could provide a solution to this pollution problem, both by degrading plastic and replacing it.

In 2016, researchers in Japan identified two enzymes in a bacterium that enable it to feed on and degrade PET plastic, the kind used for water bottles and food containers. Since then, researchers around the world have been analyzing how the enzymes break down the plastic and trying to improve their ability to do so.

California-based Newlight Technologies is using a specially developed microorganism-based biocatalyst (similar to an enzyme) to turn waste gas captured from air into a bioplastic. The biocatalyst pulls carbon out of methane or carbon dioxide from farms, water treatment plants, landfills, or energy facilities, then combines it with hydrogen and oxygen to synthesize a biopolymer material. The biopolymer, called AirCarbon, can replace plastic in furniture and packaging.

Lignin is a key component of plants that, like other types of biomass, could be used for renewable fuels and chemicals. Since very few bacteria and fungi can break it down naturally, scientists have been trying for years to develop an efficient way of doing so. Now some have engineered a naturally occurring enzyme to break it down, which could eventually make it possible to use lignin for nylon, bioplastics and even carbon fiber.

The manufacturing of complex electronic devices requires toxic, rare, and non-renewable substances, and generates over 50 million tons of e-waste each year. Simon Vecchioni, who recently defended his PhD in biomedical engineering at Columbia University, is using synthetic biology to produce DNA nanowires and networks as an alternative to silicon device technology.

Vecchioni ordered synthesized DNA from a company, used it to create his own custom BioBrick—a circular piece of DNA—and inserted it into the bacterium بكتريا قولونية, which created copies of the DNA. He then cut out a part of the DNA and inserted a silver ion into it, turning the DNA into a conductor of electricity. His next challenge is to turn the DNA nanowires into a network. The DNA nanowires may one day replace wires made of valuable metals such as gold, silver (which Vecchioni only uses at the atomic scale), platinum and iridium, and their ability to “self-assemble” could eliminate the use of the toxic processing chemicals used to etch silicon.

“A technology for fabricating nanoscale electrical circuits could transform the electronics industry. Bacteria are microscale factories, and DNA is a biodegradeable material,” he said. “If we are successful, we can hope to produce clean, cheap, renewable electronics for consumer use.”

The production of cement (a key ingredient of concrete) is responsible for about eight percent of global greenhouse gas emissions because of the energy needed to mine, transport and prepare the raw materials. bioMASON in North Carolina provides an alternative by placing sand in molds and injecting it with bacteria, which are then fed calcium ions in water. The ions create a calcium carbonate shell with the bacteria’s cell walls, causing the particles to stick together. A brick grows in three to five days. bioMASON’s bricks can be customized to glow in the dark, absorb pollution, or change color when wet.

Dressing more sustainably

Fast fashion has a disastrous impact on the environment because of its dyes and fabric finishes, fossil fuel use and microfiber pollution. About three-fourths of the water used for dyeing ends up as toxic wastewater, and over 60 percent of textiles are made from polyester and other fossil fuel-based fibers that shed microfibers when washed, polluting our waters.

Textile mill in Bangladesh Photo: NYU Stern BHR

French company Pili synthesizes enzymes that can be tailored to produce different colors, then integrates them into bacteria. The bacteria are then able to create pigments. Pili’s dye is produced without petroleum products or chemicals, and uses one-fifth the water of regular dyes.

Spider silk, considered one of nature’s strongest materials, is elastic, durable and soft. Bolt Threads, based in San Francisco, studied spider DNA to figure out what gives spider silk its special characteristics, then engineered genes accordingly and put them into yeast, which, after fermentation, produce large quantities of liquid silk proteins. The silk protein is then spun into fibers, which can be made into renewable Microsilk.

The risks of synbio

In the U.S., synbio chemicals and pharmaceuticals are mainly regulated by the Toxic Substances Control Act of 1976. Other synbio commercial products and applications are regulated by the EPA, Department of Agriculture, and the FDA. But do these agencies have the capacity and effectiveness to monitor synthetic biology as fast as it’s developing and changing?

As some syn bio applications are starting to move out of the lab, there are worries about its potential environmental risks. If an engineered organism, such as those used in gene drives, is released into nature, could it prove more successful than existing species in an ecosystem and spread unchecked?

Bostick noted that each synthetic biology project today is usually focused on one very specific modification. “It’s adding or altering a single enzyme, possibly putting in a series of enzymes so that it can do one thing,” he said. “Very seldom do you tweak the rest of the organism, so it’s not critical to the success of the organism and it’s not likely to run rampant. From a scientific standpoint, it’s hard to change more than one thing.”

Moreover, according to Vecchioni, most synbio research is being done by student groups through iGEM’s International Genetically Engineered Machine Competition, and every iGEM project must have a safety component—some way to turn off the gene or regulate it if it gets out.

Another concern is that the creation or modification of organisms could be used to create a disease for the purpose of bioterrorism. Vecchioni explained that the FBI is on the lookout for this. “They walk in nicely and say ‘hi, we’re watching,’” he said. “They also go to conferences and just make sure people are being smart about it.” He added that DNA synthesis companies are also on alert. “They have a library of known dangerous pieces of DNA, so if you try to order something that is known to create disease in any organism, the FBI will come knocking on your door.”

A more recent concern is that research institutes have begun setting up biofoundries, facilities that rely heavily on automation and artificial intelligence (AI) to enhance and accelerate their biotechnology capabilities. Jim Thomas, co-executive director of the ETC Group, which monitors emerging technologies, is concerned about the tens of thousands of organisms that AI is being used to create. “It raises a real safety question because if you have something go wrong, you potentially don’t understand why it went wrong,” said Thomas. “With AI it’s a bit of a black box.” He noted that most experts agree that there has to be a process for monitoring and assessing new developments in synbio.

Despite the potential risks of synbio, its potential benefits for the planet are huge. And as our environment is battered by the impacts of climate change and human activity, we need to explore all options. “We need every possible solution to even remotely get to the magnitude of change that we need to improve our world,” said Bostick.


Our top synthetic biology articles of 2020

Synthetic biology is among the most hyped and exciting research areas this century, and 2020 saw SynBio turn 20 years old. Whilst the early years saw some impressive research and visionary thinking, the field is now living up to its hype and delivering revolutionary solutions and landmark innovations. It is now driving multibillion dollar industries, and is transforming healthcare – providing a new generation of therapies and treatments.

So what inspiring research did 2020 bring?

Here are our top 5 most read articles of this year!

Number 5: CRISPR gene editing relieves Duchene muscular dystrophy symptoms

Duchenne muscular dystrophy (DMD) is a genetic disorder characterised by progressive muscle degeneration and weakness due to the alterations of a protein, dystrophin, that helps keep muscle cells intact.

In January we reported that scientists had developed a CRISPR-based gene therapy that may provide permanent relief for those suffering from DMD. The researchers from Munich, Germany, used somatic CRISPR gene editing in living pigs to restore the DMD reading frame, resulting in expression of a shortened but largely functional dystrophin protein.

Number 4: Creating new ‘super’ base editors with enhanced accuracy

Base editors (BEs) are potent tools for precise genome editing, and can be used to correct single disease-causing mutations. Cytosine base editors (CBEs) enable efficient cytidine-to-thymidine (C-to-T) substitutions at targeted loci, and do so without creating a double-stranded break. However, they can lack precision and ‘bystander’ Cs lying adjacent to the ‘target’ C can also edited.

In July, scientists engineered new CBEs that could precisely modify a single targeted C, whilst minimising the editing of bystanders, increasing the accuracy of base edits in disease sequence models up to 6,000-fold compared with the then existing base editors.

Number 3: CRISPR discovery gives hope for universal cancer therapies

The latest, most innovative wave of immunotherapies to reach the clinic are undergoing a revolution of personalisation and at the heart of these lies CAR-T cell therapy. However, providing individualised medicines is time-consuming and expensive, and to date they are able to target only a few (non-solid) cancers.

In January, we announced that scientists had exploited CRISPRs to discover T-cells equipped with a new type of T-cell receptor (TCR) which recognises and kills most human cancer types, leading to the hope of a single go-to cancer treatment.

Number 2: Tackling antibiotic resistance with CRISPR-Cas13a

At least 700,000 people die each year due to drug-resistant diseases and it is estimated by 2050 that such diseases could cause 10 million deaths per year. International organisations are therefore united in a demand for urgent action against such a devastating crisis and are calling for investment into research and development for new technologies to combat antimicrobial resistance.

Back in June scientists reported the development of a series of CRISPR-Cas13a-based antibacterial nucleocapsids for use as therapeutic agents against antimicrobial-resistant bacteria.

Number 1: A new bionic eye gives hope

The growing prevalence of ophthalmic diseases and severe eye injuries has increased the demand for artificial eyes globally. However, current prosthetic eyes cannot restore vision.

We reported in May that scientists had created a biomimetic, electrochemical eye which has image-sensing functionality. The eye consisted of a metal shell at the front, an artificial retina at the back and an ionic liquid interior: dubbed EC-EYE – short for ‘ElectroChemical EYE’.

This research really caught our readers attention and it has stormed to the top of our most read articles!


Cells with lab-made DNA produce a new kind of protein, a ‘holy grail’ for synthetic biology

Scientists in San Diego have achieved a major goal in the effort to craft artificial organisms: A microbe whose genetic material included some lab-made instructions was able to live, reproduce and synthesize proteins that included molecules never before used by life.

The development, described Wednesday in a paper in the journal Nature, is a step toward a world in which scientists can engineer organisms capable of producing highly specialized proteins that may be used to improve medicines, construct new materials and perhaps even change the functions of cells.

“It's wave front stuff this is the edge of science,” said Andrew Ellington, a biochemist at the University of Texas at Austin who was not involved in the research. “W e are better learning how to engineer living systems.”

For 4 billion years, the story of life on Earth has been written using a limited molecular alphabet. The rungs of DNA's twisting ladder are built from just four base units — adenine, which links with thymine, and cytosine, which pairs with guanine. These four “letters” — A, T, C and G — define the form and function of every organism on Earth, from a bacterium to an elephant, from photosynthesis to camouflage.

When those genetic instructions are transcribed and translated by cellular machinery, they enable the production of proteins — life's workhorses, which catalyze reactions, transmit signals, and make up tissues like cartilage and shells. The building blocks of proteins, called amino acids, are only slightly more varied than those of DNA just 20 amino acids are used to synthesize the proteins needed for all life's functions.

In 2014, the San Diego scientists, led by chemist Floyd Romesberg of the Scripps Research Institute, rewrote the genetic material for a strain of E. coli to include a new pair of bases, dubbed dNaM and dTPT3 but informally known as X and Y. Though the resulting microbe population wasn't stable (they usually lost their X and Y bases after a few days) these were the first organisms in the history of life to include a new base pair in their DNA.

It was an entirely new kind of genetic engineering. Other gene editors tweak organisms' DNA using already-existing materials, like Shakespeare coming up with new idioms. But Romesberg and his colleagues were writing genetic instructions with molecules life had never seen before — the biological equivalent of Tolkien inventing Elvish.

In their latest experiment, Romesberg's team used that expanded genetic alphabet to instruct the cells to synthesize proteins from “noncanonical” amino acids — hundreds of molecules that can be found in nature or the lab but are not naturally used by organisms. The semi-synthetic cells were able to produce artificial proteins almost as efficiently as their unmodified parents.

“This last step of adding an unnatural base pair to add an unnatural amino acid into a protein is sort of the holy grail of what we’ve been trying to do the whole time,” said Yorke Zhang, a graduate student in Romesberg's lab who designed, performed and analyzed the experiment.

For decades, scientists have sought to add noncanonical amino acids to proteins in the hope of making these biological workhorses even more powerful. But they had a problem. Translation of genetic material into a protein product, which is carried out by RNA molecules, depends on three-letter sequences called “codons.” Each codon corresponds to a particular amino acid, so when the cell's machinery reads that sequence, it knows exactly which piece of protein to grab. Yet, with the existing genetic alphabet, all 64 possible codon combinations are already associated with a specific task. If researchers wanted the cell to perform a new function, they had no unique way to convey the demand.

Some scientists have tried to get around this obstacle by reprogramming one of the cell's “stop” codons — which carry instructions to halt the protein production process — to instead be associated with a new amino acid.

But Romesberg and his colleagues had grander ambitions. By adding just two new base units to a cell's genetic instructions, they would generate dozens of new codon possibilities — “more than we could possibly use” for any practical purposes, Romesberg said.

After testing hundreds of possible base pairs, they landed on dNaM and dTPT3. Not only were these units utterly foreign to life on Earth, they were chemically linked by a completely different bond than the one that connects A to T and G to C.

In an interview this week, astrobiologist Steve Benner, who led the first team to develop an artificial base pair nearly 30 years ago, expressed doubt that DNA could be fully functional with this unusual base pair bond. He suggested that the natural base pairs in Romesberg's E. coli might be “flanking” the lab-made ones — holding up the double helix despite the unnatural and uncomfortable insertions. The DNA was effectively damaged, he said, and the fact that the cells didn't die is just a testament to life's resiliency.

Romesberg disagreed, pointing out that the engineered cells in his latest experiment successfully used X and Y genetic material and a noncanonical amino acid to produce large amounts of glowing green protein without much loss of efficiency.

“In some sense the proof is in the pudding,” he said. The experiment worked, which would indicate that the synthetic DNA works, too.

Because the microbes themselves can't produce the X and Y bases or the alien amino acid, the scientists had to continually “feed” these molecules into the cells. This is a feature, not a bug, Romesberg said. For one thing, it ensures that any microbe that escaped the lab would swiftly die — allaying fears of a Jurassic Park-style artificial life apocalypse.

Moreover, it suggests one possible application of these lab-made microbes: vaccines. “I f you put it into a person the organism can’t survive any more,” Zhang said — making these cells a safe way to train the body to fight infection.

In 2014, Romesberg co-founded a biotechnology company, Synthorx, aimed at turning proteins made from noncanonical amino acids into medicine. In the near term, he said, scientists could harvest such proteins from synthetic cells and use them to assist with drug-delivery, or to make protein therapeutics, like insulin, more effective.

But an even more distant — and more enticing — application involves not just the proteins, but the lab-made microbes that produce them: “What if you allow the bacteria to harbor this unnatural information retrieve the protein and use it for something interesting?” Romesberg mused. “ Could you develop organisms that have new properties” — like the ability to siphon up oil spills or eat cancer cells? “ Could we develop cells that can do things their natural counterparts can't?”

Maureen McKeague, a synthetic biologist at the Swiss Federal Institute of Technology in Zurich, said this latest achievement is a synthesis of work that Romesberg and others have been chipping away at for a while. By now, several scientists have developed artificial base pairs and synthesized unnatural proteins, “but this demonstrates all the parts can come together, f rom encoding information and storing it to transcribing and translating it,” she said.


Discovery could lead to improved therapies for Duchenne muscular dystrophy

A new multi-institution study spearheaded by researchers at Florida State University and the University of California, Los Angeles suggests a tiny protein could play a major role in combating heart failure related to Duchenne muscular dystrophy (DMD), the most common lethal genetic disorder among children.

In collaboration with scientists from across the nation, FSU researchers found that increased levels of the protein sarcospan improve cardiac function by reinforcing cardiac cell membranes, which become feeble in patients with DMD.

Their findings were published in the journal انسايت JCI.

The condition, which typically afflicts young boys, is caused by a mutation that prevents the body from producing dystrophin, a protein crucial to the health of skeletal, respiratory and cardiac muscles. Advances in treatment for certain types of DMD-related muscle degradation have helped to prolong patients' lifespans. However, as DMD patients age, their heart function declines dramatically.

"Patients typically live to 20 or 30 years of age," said lead author Michelle Parvatiyar, an assistant professor in the Department of Nutrition, Food and Exercise Sciences in FSU's College of Human Sciences. "There have been important improvements in respiratory care, which used to be what a majority of patients would succumb to. Now, in their 20s and 30s, they're often succumbing to cardiomyopathy. The heart is functioning with a major component of the cell membrane missing. Over time, it wears out."

The study was part of continued efforts by UCLA biologist Rachelle H. Crosbie, the study's corresponding author, who previously identified sarcospan as a protein that could improve mechanical support in skeletal cell membranes lacking dystrophin. Her finding buoyed DMD researchers and affirmed sarcospan's potential as an effective tool in the fight against the condition.

"But nobody had really looked at how increasing the levels of this protein might affect the heart," Parvatiyar said.

Using a unique mouse model with a dearth of dystrophin, Parvatiyar and her collaborators did just that.

In their study, the team found that while it's is not a like-for-like replacement for dystrophin, an overexpression of sarcospan in cardiac cells seems to do the job of stabilizing cell membranes. Even under stress, researchers found, sarcospan overexpression was able to improve the membrane defect in dystrophin-deficient cells.

"Sarcospan doesn't quite do the job of dystrophin, but it acts as a glue to stabilize the membrane and hold protein complexes together when dystrophin is lacking," said Parvatiyar, explaining a concept developed by Crosbie.

Cardiac measurements confirmed that sarcospan does protect the cell membrane even when the heart is placed under stress. Study co-author and FSU College of Medicine Associate Professor Jose Pinto performed the measurements, along with FSU graduate student Karissa Dieseldorff Jones and University of Miami Miller School of Medicine research assistant Rosemeire Takeuchi Kanashiro.

In addition to serving as a kind of stabilizing glue, researchers said sarcospan could also act as a scaffold that supports other essential proteins at the cell membrane. That function could allow sarcospan to carry mini versions of dystrophin -- which, in its normal state, has a long and unwieldy genetic code -- to the edges of cardiac cells, where they could buttress the fragile membranes.

"The idea is that you could administer the sarcospan and the dystrophin at the same time, and the sarcospan could facilitate mini dystrophin localizing to the cell membrane and help hold those complexes in place," Parvatiyar said.

Sarcospan's two possible functions could augment existing DMD treatments, Parvatiyar said, or they could give rise to novel therapies that fortify weakened cardiac cell membranes and improve the quality of life for people with DMD.

In her previous position at UCLA, Parvatiyar had frequent interactions with DMD patients and their families. She said these interactions, and the unshakeable hope she's witnessed in those suffering from DMD, continue to drive her and her colleagues in the search for new ways to combat this debilitating condition.

"Those were the first times in my life I'd ever had someone come up to me and thank me for my work," she said. "Sometimes you can feel removed from it in the laboratory day after day. You see incremental progress. But to see people who are really yearning for help is motivating. Their positivity is incredibly inspiring."

Researchers from UCLA, the University of Miami, SUNY Binghamton University and the University of Washington contributed to this study. Funding was provided by the National Institutes of Health, the Center for Duchenne Muscular Dystrophy at UCLA-CureDuchenne Postdoctoral Fellowship and the American Heart Association.


Man-made Proteins Could Be More Useful than Real Ones

Researchers have constructed a protein out of amino acids not found in natural proteins, forming a complex, stable structure that closely resembles a natural protein.

Researchers have constructed a protein out of amino acids not found in natural proteins, discovering that they can form a complex, stable structure that closely resembles a natural protein. Their findings could help scientists design drugs that look and act like real proteins but won't be degraded by enzymes or targeted by the immune system, as natural proteins are.

The researchers, led by Howard Hughes Medical Institute (HHMI) professor Alanna Schepartz, report their findings in the February 14, 2007, issue of the مجلة الجمعية الكيميائية الأمريكية, published in advance online on January 19, 2007. Schepartz and her coauthors, Douglas Daniels, James Petersson, and Jade Qiu, are all at Yale University. A story in the February 5, 2007, issue of Chemical & Engineering News spotlighted the research.

As an HHMI professor, Schepartz received a $1 million grant to find ways to infuse undergraduate teaching with the excitement of research. Several of her HHMI undergraduates synthesized beta-amino acid monomers that were used to prepare the synthetic protein.

Schepartz and colleagues built the short protein, or peptide, from β-amino acids, which, although they exist in cells, are never found in ribosomally produced proteins. β-amino acids differ from the alpha-amino acids that compose natural proteins by the addition of a single chemical component—a methylene group—into the peptide backbone.

The fundamental insight from this study is that beta-peptides can assemble into structures that generally resemble natural proteins in shape and stability.

“The fundamental insight from this study is that β-peptides can assemble into structures that generally resemble natural proteins in shape and stability,” Schepartz said. She added that their findings about the structure of the molecule that she and her colleagues synthesized will help scientists construct more elaborate β-peptide assemblies and ones that possess true biologic function.

Such β-peptides could also be designed as pharmaceuticals that would be more effective than natural protein drugs, because the enzymes that degrade natural proteins would not affect them.

To biochemists, a protein's chain-like amino acid sequence is considered its primary structure. Its secondary structure is produced when this chain folds, forming characteristic shapes such as helices. The three-dimensional arrangement of these shapes gives a protein what is known as its tertiary structure. Each of these levels of organization is crucial to determining a protein's function.

In previous studies, researchers had shown that β-peptides could fold from their chain-like primary structure into more complex secondary structures. But these synthetic β-peptides adopted very little or poorly defined tertiary structure, and no one had yet shown that a β-peptide could self-assemble into the kinds of stable bundles of spiral-shaped helices that are characteristic of natural proteins, Schepartz said.

In their studies, Schepartz and colleagues synthesized a β-peptide they called Zwit1-F. They allowed the chain of β-amino acids to assemble into its own structure and then analyzed it with x-ray crystallography, a technique in which x-rays are directed through a crystal of a protein so that its structure can be deduced from the resulting diffraction pattern.

The researchers found that the Zwit1-F peptide folded into a bundle of coiled helices that resembled those in natural proteins. In particular, Schepartz noted that both natural proteins and the β-peptide bundle folded in ways that placed the “water-hating” hydrophobic segments of the molecule in the core of the structure. Other features, too, were remarkably similar to a coiled helix bundle formed of α-amino acids.

“What is interesting about the β-peptide bundle is its similarity to α-helical bundles when viewed from afar,” she said. “It has a massive hydrophobic core, parallel and antiparallel helices, and an array of polar side chains on the surface. Looking from a distance, you'd say this was a helical bundle protein.”

There were significant differences, however. “Only when you look at the details, does it become clear that there are differences between the β-peptide structure and natural helical bundle proteins,” Schepartz said. For example, when helices of natural peptides nestle against one another, often their “side chains” extend from the sides of each helix, fitting together like ridges in grooves. The β-peptide helices, however, are structured so that their side chains alternate like interlocking fingers.

Schepartz said that the discovery of the tertiary helical bundle structure of Zwit1-F offers a “structural blueprint” for the design of more complex β-peptides that would function like natural proteins. Natural proteins, for example, operate as enzymes that catalytically guide chemical reactions in the cell.

Schepartz and colleagues now want to try to bind metal ions to the Zwit1-F structure. Metal ion binding would enable the researchers to begin designing enzymes based on the β-peptide, she explained. “We're also interested in generating versions that can assemble in membranes, as a first step toward making transmembrane proteins composed of β-amino acids,” she said.

One of the most exciting potential results of their finding could be design of β-peptide drugs. “There is growing interest in proteins as drugs,” said Schepartz. “And although certain proteins are very effective pharmaceuticals, protein drugs generally suffer from storage and stability problems outside the body and from degradation inside the body. β-peptides may be more stable than traditional protein drugs and would not be recognized by the proteases that destroy proteins in the cell.”

Schepartz said their discovery that the β-peptide Zwit1-F structurally resembles natural peptides raises a thorny biological question: Why don't β-peptide proteins exist in nature? "Certain β-amino acids are naturally synthesized in cells, and they are even loaded onto transfer RNA molecules that carry the amino acid components to the protein-making machinery of the cell, the ribosome," she noted. “But to my knowledge, there are no ribosomally constructed proteins that contain β-amino acids,” she said.

“The most provocative finding of this paper is that β-amino acids were not avoided as the building blocks of proteins because they cannot assemble into complex structures,” she said. “We've shown that clearly they can."

Jack Szostak, an HHMI investigator at Harvard Medical School who studies the origin of function of nucleic acid and peptide molecules, commented: "This paper shows that protein-like folded structures can be formed by molecules that are protein-like but have chemically distinct backbones. This is conceptually similar to recent demonstrations by Eschenmoser, Herdewijn, Benner, etc., that many nucleic acids that are chemically distinct from RNA and DNA can still form base-paired duplexes. In both cases, the implication is that biology uses its standard macromolecules not because they are uniquely suited to their tasks, but at least in part because of other considerations, such as ease of synthesis, or possibly historical accident."


شاهد الفيديو: اهم مصادر البروتين اين يتواجد بروتين بكثرة (كانون الثاني 2022).