Computer-created细菌基因组是世界第一

全世界所有已知生物的基因组序列存储在一个数据库属于国家生物技术信息中心在美国。从今天开始,数据库有一个额外的条目:茎菌属ethensis - 2.0。它是世界上第一个完全电脑合成基因组的一个活的有机体,由瑞士苏黎世联邦理工学院的科学家开发的。然而,它必须强调,尽管c . ethensis - 2.0的基因组是身体的形式产生一个非常大的DNA分子,相应的器官还不存在。

c . ethensis - 2.0是基于研究和无害的淡水细菌的基因组,茎菌属crescentus,这是一种天然的细菌中发现的泉水,河流和湖泊。它不会引起任何的疾病。c . crescentus也是一个生物模型常用于研究实验室研究细菌的生命。这种细菌的基因组包含了4000个基因。科学家先前表明,只有大约680个基因是至关重要的生存的物种在这个最小基因组的细菌实验室。实验室条件下是可行的。

打起,苏黎世联邦理工学院的实验系统生物学教授,和他的兄弟,Matthias Christen,瑞士苏黎世联邦理工学院的一个化学家c . crescentus最小基因组的一个起点。他们开始化学合成基因组从头开始,作为一个连续的环形染色体。这样一个任务之前被视为一个真正的绝技:11年前提出的化学合成细菌基因组由美国遗传学的先驱克雷格·文特尔的结果十年由20个科学家的工作,据媒体报道。据说这个项目的成本总计4000万美元。

合理化的生产过程

文特尔的团队做了一个精确复制的自然基因组,瑞士苏黎世联邦理工学院的研究人员使用计算机算法根本性地改变了他们的基因组。他们的动机是双重的:1,使它更容易产生基因组,第二,解决生物学的基本问题。

创建一个DNA分子一样大一个细菌基因组,科学家必须一步一步进行。茎菌属的基因组,科学家们在236年苏黎世ETH合成基因组片段,随后他们拼凑。“这些片段的合成并不容易,“Matthias Christen解释道。“DNA分子不仅有能力坚持其他的DNA分子,但根据序列,他们还可以扭曲成循环和发髻,可以阻碍生产过程或渲染制造不可能,“Matthias Christen解释道。

简化的DNA序列

以最简单的方式合成基因组片段,然后拼凑片段以最精简的方式,科学家们从根本上简化基因组序列无需修改实际的遗传信息(在蛋白质水平)。有足够的纬度基因组的简化,因为生物学内置冗余储存遗传信息。例如,对于许多蛋白质成分(氨基酸),有两个,四个,甚至更多的可能性将他们的信息写入DNA。

瑞士苏黎世联邦理工学院的科学家们开发的算法最优利用的遗传编码的冗余。使用该算法,研究人员计算出理想的DNA序列的合成和结构基因组,它们最终利用他们的工作。

结果,科学家们播种许多小修改最小基因组,全部都是,然而,令人印象深刻的:超过六分之一的800000年人造基因组DNA字母所取代,而“自然”最小基因组。“通过我们的算法,我们完全重写基因组到一个新的序列的DNA字母,不再像原来的序列。然而,生物功能的蛋白质水平保持不变,“击败Christen说。

试金石的遗传学

重写基因组也是有趣的从生物学的角度来看。“我们的方法是一个试金石,看看我们生物学家已经正确理解遗传学,它允许我们强调我们在知识方面,“击败Christen解释道。自然,重写基因组只能包含信息,研究人员已经理解。可能的“隐藏”的附加信息,位于DNA序列,科学家尚未理解,会迷失在创建新代码的过程。

产生的菌株为研究目的,科学家们还含有天然茎菌属基因组和部分新人造基因组。通过关闭某些自然这些细菌的基因,研究人员能够测试人工基因的功能。他们测试了每一个人造基因的一个多步过程。

在这些实验中,研究者们发现只有580的680人工基因功能。”,我们获得了知识,它将,然而,可能我们改进算法并开发一个功能完整的基因组3.0版本,“击败Christen说。

生物技术的巨大潜力

“尽管当前版本的基因组还不是完美的,不过我们的工作表明,生物系统中构建这样一个简单的方式在未来,我们将能够计算出设计规范在计算机上根据我们的目标,然后建造,“Matthias Christen说。这可以实现在一个相对简单的方式,打起了强调:“带着十年克雷格·文特尔的方法中,我们小组通过一年的时间框架内新技术制造成本为120000瑞士法郎。”

“我们相信,它也会很快就有可能产生功能性细菌细胞的基因组,“击败Christen说。这样的发展将拥有巨大的潜力。在未来可能应用程序合成微生物可以利用生物技术生产复杂的医学活跃分子或维生素,为例。所有微生物的技术可以使用普遍,不仅茎菌属。另一个可能性是DNA疫苗的生产。

“有前途的研究结果和可能的应用程序,他们要求在社会深刻讨论的目的,可以使用这种技术,与此同时,关于如何防止滥用,“击败Christen说。尚不清楚当第一个细菌的人造基因组会产生,但它现在清楚的是,它可以和将会发达。“我们必须利用这段时间我们对密集讨论科学家,以及社会作为一个整体。我们随时准备贡献的讨论,我们拥有的技术。”

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参考:Venetz我,德尔医生L, Wolfle Schachle P,布赫Y,阿佩尔D, F Tschan, Flores-Tinoco CE、范-库腾M, Guennoun R, Deutsch年代,Christen M, Christen B:化学合成细菌基因组的重写来实现设计的灵活性和生物学功能,doi: 10.1073 / PNAS 2019年pnas.1818259116