Zellen mit vollständig künstlich synthetisiertem Genom wurden erstmals 2010 gemeldet, aus denen eine minimalistische Genomzelle abgeleitet wurde zeigte bei der Zellteilung eine abnormale Morphologie. Die kürzliche Hinzufügung einer Gruppe von Genen zu dieser minimalistischen Zelle stellte die normale Zellteilung wieder her
Zellen sind die grundlegenden strukturellen und funktionellen Einheiten des Lebens, eine Theorie, die 1839 von Schleiden und Schwann vorgeschlagen wurde. Seitdem sind Wissenschaftler daran interessiert, die Zellfunktionen zu verstehen, indem sie versuchen, den genetischen Code vollständig zu entschlüsseln, um zu verstehen, wie die Zelle wächst und sich teilt mehr Zellen ähnlicher Art entstehen lassen. Mit dem Aufkommen von DNA Durch die Sequenzierung ist es gelungen, die Sequenz des Genoms zu entschlüsseln und damit den Versuch zu unternehmen, die zellulären Prozesse zu verstehen, um die Grundlagen des Lebens zu verstehen. Im Jahr 1984 schlug Morowitz die Untersuchung von Mycoplasmen vor, den einfachsten Zellen, die zu autonomem Wachstum fähig sind, um die Grundprinzipien des Lebens zu verstehen.
Seitdem wurden mehrere Versuche unternommen, die Genomgröße auf eine minimale Zahl zu reduzieren, wodurch eine Zelle entsteht, die in der Lage ist, alle grundlegenden Zellfunktionen auszuführen. Die Experimente führten erstmals im Jahr 1079 zur chemischen Synthese des Genoms von Mycoplasma mycoides mit 2010 Kb und wurde als JCVI-syn1.0 bezeichnet. Weitere Deletionen in JCVI-syn1.0 von Hutchinson III et al. (1) führte 3.0 zu JCVI-syn2016 mit einer Genomgröße von 531 Kb mit 473 Genen und einer Verdopplungszeit von 180 Minuten, obwohl es bei der Zellteilung eine abnormale Morphologie aufwies. Es hatte noch 149 Gene mit unbekannten biologischen Funktionen, was auf das Vorhandensein noch unentdeckter lebenswichtiger Elemente hindeutet. JCVI-syn3.0 bietet jedoch eine Plattform für die Untersuchung und das Verständnis von Lebensfunktionen durch die Anwendung der Prinzipien ganzheitlicherGenom .
Vor kurzem, am 29. März 2021, verwendeten Pelletier und Kollegen (2) JCVI syn3.0, um die für die Zellteilung und Morphologie erforderlichen Gene zu verstehen, indem sie 19 Gene in das Genom von JCVI syn3.0 einführten, was zu JCVI syn3.0A führte, das eine Morphologie ähnlich JCVI syn1.0. bei der Zellteilung. 7 dieser 19 Gene umfassen zwei bekannte Zellteilungsgene und 4 Gene, die für membranassoziierte Proteine unbekannter Funktion kodieren, die zusammen den Phänotyp ähnlich dem von JCVI-syn1.0 wiederherstellen. Dieses Ergebnis legt die polygene Natur der Zellteilung und Morphologie in einer genomisch minimalen Zelle nahe.
Angesichts der Tatsache, dass JCVI syn3.0 aufgrund seines minimalistischen Genoms überlebensfähig ist und sich vermehren kann, kann es als Modellorganismus verwendet werden, um verschiedene Zelltypen mit unterschiedlichen Funktionen zu schaffen, die für Mensch und Umwelt von Vorteil sein können. Beispielsweise kann man Gene einführen, die zur Auflösung von Kunststoffen führen, damit der neu entstandene Organismus biologisch zum Abbau von Kunststoffen genutzt werden kann. In ähnlicher Weise kann man sich vorstellen, Gene für die Photosynthese in JCVI syn3.0 hinzuzufügen, um es zugänglich zu machen, Kohlendioxid aus der Atmosphäre zu verwenden, wodurch dessen Niveau reduziert und die globale Erwärmung, ein wichtiges Klimaproblem der Menschheit, reduziert wird. Allerdings müssen solche Experimente mit äußerster Vorsicht behandelt werden, um sicherzustellen, dass wir keinen Superorganismus in die Umwelt freisetzen, der nach seiner Freisetzung schwer zu kontrollieren ist.
Nichtsdestotrotz kann die Idee einer Zelle mit minimalistischem Genom und seiner biologischen Manipulation zur Schaffung unterschiedlicher Zelltypen mit unterschiedlichen Funktionen führen, die in der Lage sind, wichtige Probleme der Menschheit und ihr endgültiges Überleben zu lösen. Es gibt jedoch einen Unterschied zwischen der Erzeugung einer vollsynthetischen Zelle und der Erzeugung eines funktionell synthetischen Genoms. Eine ideale vollständig synthetische künstliche Zelle würde aus einem synthetisierten Genom zusammen mit synthetisierten zytoplasmatischen Komponenten bestehen, eine Leistung, die Wissenschaftler gerne früher oder später in den kommenden Jahren erreichen würden, wenn der technologische Fortschritt seinen Höhepunkt erreicht.
Die jüngste Entwicklung könnte ein Sprungbrett zur Schaffung einer vollsynthetischen Zelle sein, die zum Wachstum und zur Teilung fähig ist.
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References:
- Hutchison III C, Chuang R., et al 2016. Design und Synthese eines minimalen bakteriellen Genoms. Wissenschaft 25 März 2016: Bd. 351, Ausgabe 6280, aad6253
DOI: https://doi.org/10.1126/science.aad6253
- Pelletier JF, Sun L., et al. 2021. Genetische Anforderungen an die Zellteilung in einer genomisch minimalen Zelle. Zelle. Veröffentlicht: 29. März 2021. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.03.008
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