Maklumat

Mungkinkah protein distrofin disintesis secara buatan?


Mungkinkah protein distrofin disintesis secara artifisial dan jika demikian bolehkah pesakit dengan DMD (Duchenne Muscular Dystrophy) mendapat manfaat dari itu?

// Sekarang saya tidak mempunyai latar belakang ilmiah selain kelayakan biologi sekolah menengah

Saya berjumpa dengan seseorang pada hari yang sama dengan saya yang menderita DMD, jadi saya membuat kajian dan rasa ingin tahu yang menimbulkan persoalan ini.

Maaf jika saya menggunakan tag yang salah atau / dan soalan ini tidak dibenarkan.


Soalan hebat.

Ya, hampir mustahil untuk mensintesiskan protein dengan buatan. Mungkin ada kesukaran dengan protein tertentu, tetapi ini lebih banyak masalah kejuruteraan daripada had sebenar untuk sintesis buatan.

Masalahnya ialah mendapatkan protein di mana ia mesti berfungsi!

Perbandingan yang baik adalah insulin. Insulin adalah protein pengawal selia yang penting yang melayang di dalam aliran darah. Itu menjadikan terapi insulin sebagai penyelesaian yang mudah untuk masalah insulin yang tidak mencukupi: yang harus anda lakukan hanyalah membuat atau mengasingkan sedikit insulin dan menyuntikkannya ke dalam aliran darah.

Dystrophin, bagaimanapun, adalah protein struktur yang bertindak dalam sel. Protein sangat besar, dan ia tidak boleh diambil oleh sel. Tidak ada mekanisme untuk memasukkan protein sewenang-wenangnya: protein yang boleh diambil oleh sel perlu melakukannya melalui beberapa mekanisme khusus.

Sekiranya anda ingin mengganti alel yang rosak untuk distrofin, maka pendekatan yang paling sesuai adalah terapi gen: mendapatkan sel pesakit sendiri untuk menghasilkan salinan protein yang berfungsi. Usaha untuk mengganti distrofin secara keseluruhan atau sebahagian melalui terapi gen adalah bidang penyelidikan semasa, tetapi masih banyak cabaran untuk pendekatan terapi gen secara umum.


Rujukan

Harper, S. Q., Hauser, M. A., DelloRusso, C., Duan, D., Crawford, R. W., Phelps, S. F.,… & Chamberlain, J. S. (2002). Kelenturan modular distrofin: implikasi untuk terapi gen distrofi otot Duchenne. Perubatan semula jadi, 8 (3), 253.

McGreevy, J. W., Hakim, C. H., McIntosh, M. A., & Duan, D. (2015). Model haiwan distrofi otot Duchenne: dari mekanisme asas hingga terapi gen. Model & mekanisme penyakit, 8 (3), 195-213.

Pichavant, C., Aartsma-Rus, A., Clemens, P. R., Davies, K. E., Dickson, G., Takeda, S. I., ... & Tremblay, J. P. (2011). Status terkini pendekatan terapi farmasi dan genetik untuk merawat DMD. Terapi Molekul, 19 (5), 830-840.

Verhaart, I. E., & Aartsma-Rus, A. (2012). Terapi gen untuk distrofi otot Duchenne. Pendapat semasa dalam neurologi, 25 (5), 588-596.


Centromere

Centromer buatan atau sintetik

Pada akhir tahun 1990-an, kromosom buatan manusia (HAC) pertama kali direkayasa sebagai cara untuk membedah elemen minimum yang diperlukan untuk pemasangan dan fungsi sentromer. Dua strategi kejuruteraan dilakukan. Pada yang pertama, pendekatan ‘bottom-up’, konstruksi DNA besar yang mengandungi sekurang-kurangnya 30 kb urutan alpha-satelit diperkenalkan sebagai DNA telanjang dengan transfusi yang dimediasi liposom ke dalam sel manusia kultur. Konstruk ini disatukan ke lengan kromosom atau, lebih umum, dikekalkan sebagai kromosom autonomi yang mengumpulkan protein sentromer dan membentuk kinetokores berfungsi. Dalam pendekatan kedua, ‘top-down’, kromosom endogen manusia secara berurutan dipotong untuk mengenal pasti unit kromosom minimum yang dipisahkan dengan betul dalam mitosis. Berdasarkan kestabilan minikromosom setelah pemotongan, ditentukan bahawa DNA alpha-satelit dan bahagian kecil pericentromere sisi cukup untuk fungsi sentromer dan kestabilan kromosom.

Dalam kajian yang lebih kontemporari, HAC telah menjadi sistem model unik untuk menjelaskan persekitaran kromatin yang mempromosikan, atau serasi dengan, pemasangan dan fungsi sentromer. Eksperimen penambatan protein menunjukkan bahawa pengubah kromatin tertentu sangat mempengaruhi fungsi sentromer. Penghapusan transkripsi dengan menghabiskan penanda euchromatic atau dengan pengambilan penekan transkrip berkorelasi dengan kehilangan kestabilan HAC dan ketidakupayaan untuk memuat CENP-A baru. Tambahan pula, pengambilan aktivator transkrip juga menyebabkan kehilangan kestabilan HAC dan gangguan fungsi sentromer. Kajian-kajian ini menunjukkan bahawa keseimbangan euchromatin dan heterochromatin dijaga dengan ketat pada sentromer dan menekankan kekuatan teknologi HAC dalam membedah dan memahami biologi sentromere. Dengan pengembangan lebih lanjut, HAC akan menjadi alat yang berguna untuk mengkaji ekspresi gen yang stabil dan membina vektor terapeutik untuk kejuruteraan genetik atau rawatan penyakit manusia.


Daging sintetik: bagaimana burger termahal di dunia membuatnya ke pinggan

Hamburger termahal di dunia bermula, kira-kira tiga bulan yang lalu, dengan lembu dibesarkan di ladang organik.

Namun, ada sedikit pastoral tradisional tentang cara pembuatannya: prosesnya dimulakan dengan pengambilan sel induk dari biopsi dua ekor lembu, belge biru blanc dan akuitaine pirang.

Dr Mark Post dan pasukannya di Maastricht University menggunakan sel-sel ini untuk menumbuhkan 20,000 serat otot di sumur kultur individu, masing-masing sebilangan kecil protein putih keabu-abuan digantung dalam media pertumbuhan seperti gel yang mengandungi antibiotik dan serum yang diekstrak dari janin sapi .

Setelah beberapa minggu pertumbuhan, setiap gelang serat dikeluarkan dengan tangan, dipotong dan diluruskan. Serat-serat itu kemudian ditekan bersama, diwarnai dengan jus bit dan dicampurkan dengan safron, serbuk roti dan beberapa bahan pengikat untuk membentuk burger - secara biologi sama dengan daging lembu, tetapi ditanam di makmal. Jumlah kos projek adalah € 250,000 (£ 215,000), dibiayai oleh pengasas bersama Google Sergey Brin.

"Ini benar-benar bukti konsep sekarang, kami sedang berusaha untuk membuat hamburger daging lembu pertama," kata Brin dalam sebuah filem untuk menandakan acara mencicipi di London pada hari Isnin. "Dari sana saya optimis bahawa kita benar-benar dapat meningkatkan dengan pesat."

Brin mengatakan dia telah tergerak untuk melabur dalam teknologi untuk alasan kesejahteraan haiwan. Orang mempunyai gambaran yang salah mengenai pengeluaran daging moden, katanya, dari segi "ladang murni" dengan hanya beberapa haiwan di dalamnya. "Apabila anda melihat bagaimana lembu ini diperlakukan, ia pasti sesuatu yang saya tidak selesa."

Acara hari Isnin di London, di mana seorang koki memasak dan menghidangkan burger sintetik di khalayak ramai, adalah kemuncak penyelidikan bertahun-tahun oleh Post yang bertujuan untuk menunjukkan bahawa kaedah menanam protein ini suatu hari nanti dapat menjadi alternatif yang sesuai untuk daging dari ternakan.

"Lembu sangat tidak cekap - mereka memerlukan 100g protein sayuran untuk menghasilkan hanya 15g protein haiwan yang boleh dimakan," kata Post kepada Guardian sebelum acara di London. "Jadi kita perlu memberi makan banyak kepada sapi sehingga kita dapat memberi makan kepada diri kita sendiri. Kita kehilangan banyak makanan dengan cara itu." Dengan daging kultur, saintis dapat membuat pengeluaran daging lebih efisien kerana mereka dapat mengawal semua pemboleh ubah dalam keadaan terkawal. Mereka juga tidak perlu menyembelih lembu.

Selera manusia untuk daging bermaksud bahawa 30% permukaan bumi yang dapat digunakan ditutupi oleh padang rumput untuk haiwan, berbanding dengan hanya 4% yang digunakan secara langsung untuk memberi makan manusia. Jumlah biojisim ternakan kita hampir dua kali ganda daripada jumlah penduduk di planet ini dan menyumbang 5% pelepasan karbon dioksida dan 40% pelepasan metana - gas rumah hijau yang jauh lebih kuat.

Menjelang 2060, populasi manusia diprediksi meningkat menjadi 9,5 miliar dan, dengan meningkatnya permintaan daging dari populasi yang berkembang pesat di, misalnya, China dan India, pasar daging diperkirakan meningkat dua kali lipat pada pertengahan abad ini. Sekiranya jumlah daging yang kita hasilkan berlipat ganda, ternakan boleh menyebabkan separuh kesan iklim seperti semua kereta, lori dan kapal terbang dunia. Pada tahun 2008, Dr Rajendra Pachauri, ketua panel antar pemerintah PBB mengenai perubahan iklim, mendesak orang untuk memiliki satu hari bebas daging seminggu untuk membantu mengekang perubahan iklim.

Kaedah penanaman daging yang berbeza di makmal akan memberi kesan yang berbeza terhadap alam sekitar, dan Post mengatakan petunjuk awal adalah bahawa daging makmalnya mengurangkan keperluan tanah dan air sebanyak 90% dan mengurangkan penggunaan tenaga secara keseluruhan sebanyak 70%.

Cara terbaik untuk mencegah kerosakan persekitaran ini, tentu saja, adalah sekiranya semua orang dapat dibujuk untuk makan lebih sedikit daging. Tetapi tidak ada yang menyangka bahawa itu akan terjadi - keinginan untuk memakan daging sudah tertanam jauh dalam evolusi kita, menurut pakar primatologi Universiti Harvard, Prof Richard Wrangham.

Dia berpendapat bahawa belajar memasak dan memakan daging adalah salah satu sebab otak manusia dapat tumbuh sebesar mereka. Daging, sumber nutrien dan kalori yang padat, menggerakkan otak nenek moyang kita dengan cara yang tidak dapat ditandingi oleh pesaingnya dan memberi kesan yang berterusan terhadap selera daging kita.

"Faktanya adalah bahawa orang mempunyai kecenderungan yang sangat kuat untuk menikmati daging, yang tidak diragukan lagi kerana semua kelebihan yang diberikannya semasa evolusi manusia, termasuk akses ke mikronutrien langka - misalnya garam, besi, zink - dan sumber lemak yang baik, serta sebilangan kecil kalori, "kata Wrangham.

"Kami tidak dapat menilai dengan tepat berbagai manfaat yang diberikan daging, tetapi kami pasti dapat mengatakan bahawa para pemburu-pengumpul di mana-mana sangat ingin mendapatkannya."

Daging kultur, kata Prof Wrangham, harus dipeluk dengan alasan ini sahaja - kerana manusia sangat menyukai daging. "Ini adalah masalah praktikal: orang akan terus menginginkan daging, dan sistem pengeluaran daging yang mengurangkan kos persekitaran dan etika akan memberi manfaat yang besar." Rasa kuno daging akan memberikan pasaran yang bersedia untuk produk berbudaya, kata penulis makanan dan pengulas Jay Rayner, apabila teknologi dapat disempurnakan. "Apa yang anda [akhirnya] lihat adalah pemisahan. Di satu sisi anda akan mempunyai potongan utama, ini akan menjadi daging khas - jika anda mahukan stik atau sendi atau ayam keseluruhan, anda akan mendapat perkara-perkara itu, tetapi lebih kerap daripada yang anda lakukan sekarang. Tetapi jika anda mahu protein haiwan membuat, mungkin, burger murah atau laser atau sesuatu seperti itu, maka anda akan mencari alternatif, yang mungkin ada daging in vitro atau mungkin menjadi protein serangga. "

Daging yang diusahakan secara tradisional sudah sangat mahal, Rayner menambah, dan hanya akan mendapat lebih banyak, dan hanya menunggu masa sebelum orang ramai mula menggunakan alternatif.

Ada banyak rintangan sebelum Post dapat meningkatkan prosesnya untuk pembuatan skala besar - kultur sel tidak murah - tetapi dia memiliki harapan tinggi. "Dua puluh tahun dari sekarang, jika anda mempunyai pilihan di pasar raya antara dua produk yang serupa dan mereka merasakan dan merasakan sama dan mempunyai harga yang sama - dan satu dibuat dengan cara yang mesra alam, dengan sumber yang jauh lebih sedikit dan menyediakan makanan keselamatan bagi penduduk dan tidak mempunyai konotasi kesejahteraan haiwan terhadapnya - pilihannya agak mudah, "katanya. "Orang akan mula memilih jenis produk ini dan kemudian secara beransur-ansur akan mengubah pengeluaran daging."

Hamburger pertama yang dibuatnya agak sederhana, hanya protein tulen. Ia mungkin cukup baik sebagai bukti konsep, tetapi jauh dari penggantian daging. Sebagai permulaan, ia tidak mempunyai lemak atau darah, di mana banyak rasa daging berasal.

Oleh itu, seterusnya dalam agenda, untuk pasukan Post adalah menambahkan sel-sel lemak yang tumbuh di makmal ke protein, dan mungkin juga sel-sel tulang bagi mereka yang menginginkan stik T-bone yang dikultur sepenuhnya. "Teknologi sekarang hanya terbatas pada kepingan kecil kerana anda harus memasukkan oksigen dan nutrien ke dalam tisu agar tetap hidup," katanya. "Untuk kepingan yang lebih besar, kita perlu mengembangkan teknologi yang berbeda yang telah dijelaskan dalam bidang perubatan, tetapi belum diterapkan pada produksi daging." Ini bermaksud membina sesuatu seperti saluran darah ke dalam daging, yang dapat membekalkan cecair, oksigen dan nutrien ke pusat tisu ketika ia tumbuh.

Post mengakui bahawa sangat mustahak untuk menghasilkan produk yang kelihatan dan rasanya sama seperti daging sebenar. Dan jika mereka mendapati ada pasar untuk daging sapi ternakan, kaedah yang sama dapat digunakan untuk menanam protein lain seperti ayam, domba, ikan atau daging babi di makmal.

Pengkritik mungkin berpendapat bahawa mengadakan acara umum untuk mempamerkan karya dan bukannya membentangkan hasil dalam jurnal yang dikaji oleh rakan sebaya dapat mengasingkan rakan sekerja ilmiah, yang akan ragu-ragu mengenai karya itu. Respons Post adalah bahawa kebanyakan kaedah yang digunakannya - melibatkan teknik dan pertumbuhan sel stem lembu dalam jumlah besar - telah diterbitkan dalam jurnal. Hamburgernya, katanya, lebih merupakan hasil daripada kekuatan kasar dalam mengembangkan lebih banyak bahan daripada yang dimiliki orang lain setakat ini. "Dari sudut teknologi terdapat sedikit rahsia di sini," katanya.

Sebarang daging kultur untuk dijual kepada orang ramai juga perlu terbukti selamat. Badan Piawaian Makanan mengatakan bahawa "setiap makanan baru, atau makanan yang dihasilkan menggunakan proses pengeluaran novel, harus menjalani penilaian keselamatan yang ketat dan bebas sebelum diletak di pasar". FSA mengatakan belum ada aplikasi seperti ini.

Di bidang kesejahteraan, Julian Savulescu, profesor etika praktikal di University of Oxford, mengatakan bahawa daging yang tumbuh di makmal mendapat nilai tinggi. "Daging tiruan menghentikan kekejaman terhadap binatang, lebih baik untuk alam sekitar, dapat lebih aman dan lebih efisien, dan bahkan lebih sihat. Kami mempunyai kewajiban moral untuk mendukung penyelidikan semacam ini. Ini membuat etika dua jempol."

Brin mengatakan bahawa dia berminat untuk melabur dalam teknologi yang "berada di puncak daya maju. Sekiranya berjaya di sana, itu benar-benar boleh berubah untuk dunia."

Dia mengakui bahawa sesetengah orang mungkin menganggap daging sintetik adalah fiksyen sains. "Saya sebenarnya menganggap perkara itu baik. Sekiranya apa yang anda lakukan tidak dilihat oleh sesetengah orang sebagai fiksyen sains, itu mungkin tidak cukup transformatif."


Perdana, penyuntingan asas adalah "pisau bedah yang lebih baik" dalam distrofi

Teknik penyuntingan genom baru telah membuka banyak kemungkinan mutasi yang dapat ditangani dalam gangguan pembaziran otot yang diwarisi Duchenne muscular dystrophy (DMD), sementara juga mengurangkan kemungkinan menimbulkan kesan sasaran.

Satu kajian bukti konsep yang diterbitkan dalam edisi 30 April 2021, terbitan Sains Pendahuluan menerangkan penggunaan penyuntingan asas dan penyuntingan utama - keduanya dapat melakukan pengeditan yang lebih disasarkan daripada CRISPR-Cas9 - untuk mengatasi penghapusan ekson 51 dalam gen distrofin.

Itu ditunjukkan untuk mengembalikan pengeluaran distrofin pada 96.5% serat otot pada tikus transgenik yang membawa mutasi DMD, dan pada kardiomiosit yang berasal dari sel induk pluripoten dari pesakit DMD, secara in vitro.

Penyelidikan ini adalah yang pertama menunjukkan penyuntingan utama dan asas dapat digunakan untuk meningkatkan ekspresi protein berfungsi. Oleh itu, ia juga memberikan janji untuk gangguan warisan yang jarang berlaku yang disebabkan oleh pengeluaran protein penting yang salah atau tidak mencukupi.

Pendekatan semasa untuk melangkau ekson dalam gen DMD memerlukan konstruk khusus untuk setiap ekson. Penggunaan penyuntingan asas dan utama akan mengatasi keperluan ini, menurut Eric Olson, profesor biologi molekul di University of Texas Southwestern Medical Center, yang mengetuai penyelidikan.

"Ribuan mutasi yang berlainan yang menyebabkan DMD telah dikenal pasti, tetapi mereka cenderung bergabung ke bahagian tertentu dari gen dystrophin," kata Olson. "Kekuatan kaedah kami adalah bahawa anda tidak memerlukan strategi penyuntingan gen baru untuk setiap pesakit dengan mutasi baru, anda dapat membetulkan beberapa mutasi yang berbeza dengan pendekatan gabungan."

Olson sebelum ini melaporkan menggunakan CRISPR-Cas9 untuk membetulkan penghapusan exon 51, mutasi yang paling kerap berlaku pada gen DMD, menyebabkan sekitar 13% kes gangguan tersebut. Berdasarkan penyelidikan ini, Olson kemudian menemui Exonics Therapeutics of Boston, Massachusetts, untuk menerapkan pengeditan gen CRISPR-Cas9 dalam rawatan DMD. Syarikat ini diakuisisi oleh Vertex Pharmaceuticals pada tahun 2019 dengan harga USD 245 juta di muka dan pencapaian bernilai USD1 bilion. Vertex sedang mengusahakan pelbagai konstruksi CRISPR-Cas9 praklinikal yang berbeza untuk menangani banyak mutasi penyebab DMD.

Walaupun CRISPR-Cas9 adalah cara yang lebih mudah untuk mendorong pelepasan exon atau memulihkan bingkai bacaan terbuka, ia melibatkan pemotongan DNA untai ganda. Itu menimbulkan kemungkinan menghasilkan penghapusan atau penyusunan semula kromosom yang lebih besar, yang boleh merosakkan.

Dalam penyelidikan terbaru ini, Olson dan rakan sekerja menerangkan menggunakan penyunting pangkalan adenin yang digabungkan dengan nama samaran Cas9 untuk memodifikasi tepat lokasi penyambungan ekson 50 gen DMD, mengubah adenin menjadi guanin. Itu memulihkan ekspresi distrofin dengan melangkau ekson 50, yang membolehkan ekson 49 menyambung ke ekson 52.

Para penyelidik juga memberi contoh penggunaan editor utama di mana nCas9 digabungkan dengan transkripase terbalik untuk memasukkan dua nukleotida dengan tepat ke ekson 52, memulihkan kerangka bacaan terbuka dan membolehkan gen dystrophin diterjemahkan, menghasilkan protein berfungsi.

Penghapusan exon 51 menghalang pengeluaran 78 asid amino dari domain batang pusat yang membentuk sebahagian besar jisim molekul dystrophin. Walau bagaimanapun, exon 50 hanya mengekodkan 36 asid amino di batang pusat, dan hasilnya protein distrofin yang dihasilkan dengan menyambungkan ekson 49 hingga ekson 52 mengandungi 97% daripada 3,685 asid amino yang terdapat dalam molekul panjang penuh, dan diharapkan sangat tinggi berfungsi.

"Penemuan kami menunjukkan keberkesanan penyuntingan nukleotida untuk pembetulan pelbagai mutasi DMD dengan pengubahsuaian minimum genom," tulis para penyelidik.

"Kaedah ini memungkinkan untuk memperbetulkan penghapusan besar dalam gen DMD dengan menukar [nukleotida tunggal] secara khusus," kata Olson. "Tahap kekhususan dan kecekapan itu luar biasa."

"Pisau bedah yang lebih baik"

Penyuntingan asas atau utama pada asasnya adalah "pisau bedah yang lebih baik" kata Francesco Muntoni, pengarah bersama pusat penyakit neuromuskular di University College London, salah seorang pakar terkemuka di DMD, yang memimpin pengembangan klinikal oligonukleotida antisense sebagai patch molekul ke mengatasi ekson yang hilang dalam gen DMD. Olson telah menghasilkan "hasil yang menarik" yang "menunjukkan kecekapan dua teknik yang berbeza," kata Muntoni, mengulas mengenai penyelidikan tersebut.

Untuk menilai kekhususan pengeditan nukleotida Olson et al disaring untuk penyuntingan sasaran di 8 laman web yang diramalkan berpotensi terjejas. Analisis urutan genom tidak menunjukkan penyuntingan penting di mana-mana laman web ini.

Para penyelidik berpendapat bahawa sementara editor nukleotida dapat mengedit semua pasangan asas dalam tetingkap yang ditentukan, penyuntingan penonton ini berlaku pada intron tanpa pengekodan atau dalam ekson yang akan dilewati, yang bermaksud mereka tidak mempengaruhi transkrip akhir.

Kelebihan ketepatan yang lebih besar dikendalikan oleh ukuran konstruk penyuntingan nukleotida, yang terlalu besar untuk dimasukkan ke dalam satu vektor virus yang berkaitan dengan adeno. Untuk mengatasinya, para penyelidik menggunakan sistem yang membolehkan serpihan protein yang dibuat oleh vektor yang terpisah untuk menghubungkan di dalam sel.

Walaupun strategi itu berjaya, ia melibatkan penggunaan jumlah AAV9 yang terlalu tinggi untuk diekstrapolasi dari pemberian intramuskular pada tikus hingga pentadbiran sistemik pada manusia, seperti yang diakui oleh para penyelidik. "Kaedah penyampaian yang lebih baik akan diperlukan sebelum strategi ini dapat digunakan untuk mengedit genom dengan cukup pada pasien dengan DMD," kata mereka.


& # x27Menarik & # x27 prestasi

Syn61 ternyata tidak begitu kuat seperti semula jadi E coli sepupu - tumbuh lebih kurang 60% lebih perlahan. Walaupun itu mungkin menunjukkan ada sesuatu yang sangat penting mengenai ejaan alternatif dalam kod genetik, Julius Fredens percaya bahawa mereka telah mengenal pasti masalah yang lebih kecil di Syn61, yang harus segera diperbetulkan untuk memulihkan kesihatan organisma sepenuhnya.

Tom Ellis kagum bakteria itu berfungsi sama sekali, dengan mengatakan: & quot; 18.000 perubahan ini bermaksud bahawa setiap gen pada kromosom akan diubah - namun ia masih hidup! & Quot

Salah satu kesan recode adalah memisahkan Syn61 dari kehidupan lain. Hingga kini, organisma dapat menukar gen, selalunya melalui virus, kerana semuanya menggunakan bahasa asas yang sama. Sekarang, virus yang cuba menjangkiti Syn61 akan mendapati sel inang kekurangan alat untuk menerjemahkan DNA virus yang akan gagal.

George Church menyebutnya sebagai & quotcliffhanger & quot. Dalam percubaan sebelumnya di makmalnya, dengan pengeditan yang lebih terhad, satu dari lima virus masih dapat ditiru.

& quotChin & # x27s kejayaan akan membebankan kita semua berusaha untuk menjadikan banyak organisma (mikroba industri, tumbuhan, haiwan, dan sel manusia) tahan terhadap semua virus dengan pendekatan penyusunan semula ini, & quot Church menulis dalam e-mel.

Chin mengatakan bahawa ujian itu belum pernah dicuba dengan Syn61, tetapi ia adalah senarai yang mesti dilakukan.

Tetapi rancangan utama Chin & # x27s adalah untuk menjadikan biokimia lebih pelbagai.

Dengan hanya 61 kodon Syn61 & # x27s 64 yang mungkin digunakan sebagai petunjuk untuk asid amino semula jadi (maka namanya), yang meninggalkan tiga yang kini dapat ditugaskan semula kepada yang tidak wajar yang dapat memperkenalkan kimia baru sepenuhnya ke dalam sel.

Chin telah mempelopori biologi sintetik seperti ini yang memperkenalkan unsur-unsur yang menjadikan protein bersinar, atau bertindak balas terhadap cahaya dengan menjadi aktif, atau dimatikan.

Fredens berpendapat mungkin sudah ada 200 blok bangunan yang tidak wajar yang dapat dimasukkan ke dalam kimia protein dengan cara ini, dan ini akan berfungsi dengan teknik yang sudah dikembangkan di LMB dan di tempat lain.

& quot; Ini cukup fikiran bahawa anda boleh mengembangkan abjad genetik dengan cara ini, & quot; Fredens mengakui. & quot; Saya rasa kita jauh dari menyedari sejauh mana kita dapat melakukannya, menghasilkan perkara yang belum pernah kita lihat sebelumnya. & quot

Fokus Chin & # x27 sangat bergantung pada peluang yang akan dilakukan untuk sains, membincangkan protein alternatif yang akan mengintip cara kerja sel, atau membantu syarikat farmaseutikal membina ubat yang lebih baik. Tetapi kemungkinannya tidak berkesudahan. Tom Ellis berspekulasi mengenai idea menghubungkan cangkuk molekul ke protein yang membolehkan mereka mengklik bersama untuk membuat rangkaian molekul yang luas dalam bahan pintar.

Ini mungkin terdengar seperti dunia molekul baru yang berani, tetapi Chin mengatakan itu tidak semestinya menakutkan.

& quotOrang mempunyai kebimbangan yang sah, & quot dia menerimanya. & quotAda penggunaan ganda untuk apa sahaja yang kita cipta. Tetapi yang penting ialah kita mengadakan perbahasan mengenai apa yang harus dan tidak seharusnya kita lakukan. Dan bahawa eksperimen ini dilakukan dengan cara yang terkawal dengan baik. & Quot


Mungkinkah protein distrofin disintesis secara buatan? - Biologi

BASF memasukkan gen ke dalam tanaman jagung yang menjadikannya lebih tahan kekeringan. Foto: BASF

Sebilangan besar sains alam sekitar difokuskan pada cara memutar balik jam, bukan mendorongnya ke depan, kata Ben Bostick, ahli geokimia di Lamont-Doherty Earth Observatory. "Kami memikirkan bagaimana kami dapat mengembalikan jejak kaki kami, dan tidak banyak tentang bagaimana kami dapat membuat jejak kaki kami lebih besar dengan cara yang positif," katanya. "Tetapi ada banyak contoh biologi sintetik yang saya rasa sebenarnya mempunyai banyak potensi di lingkungan. Fikirkan bagaimana kita dapat menolong persekitaran kita hanya dengan melakukan perkara seperti memperbaiki bahan yang kita buat menggunakan biologi sintetik. "

Biologi sintetik (synbio) adalah pembinaan komponen biologi, seperti enzim dan sel, atau fungsi dan organisma yang tidak ada di alam semula jadi, atau reka bentuk semula mereka untuk melaksanakan fungsi baru. Ahli biologi sintetik mengenal pasti urutan gen yang memberikan sifat tertentu kepada organisma, membuatnya secara kimia di makmal, kemudian memasukkannya ke dalam mikroorganisma lain, seperti E coli, sehingga mereka menghasilkan protein, ciri atau fungsi yang diinginkan.

Sejak 2011, ketika saya menulis pengenalan umum mengenai synbio, bidang ini berkembang pesat.

Salah satu sebabnya adalah pengembangan alat penyuntingan gen CRISPR-Cas9, yang pertama kali digunakan pada tahun 2013, yang menempatkan, memotong dan menggantikan DNA di lokasi tertentu. Sebab lain adalah betapa mudahnya menggunakan Pendaftaran Bahagian Biologi Piawai, yang mengkatalogkan lebih dari 20,000 bahagian genetik atau BioBricks yang dapat dipesan dan digunakan untuk membuat organisma atau sistem sintetik baru.

Pada tahun 2018, pelabur menumpahkan $ 3.8 bilion dan kerajaan di seluruh dunia melaburkan $ 50 juta ke syarikat synbio. Menjelang tahun 2022, pasaran global untuk aplikasi synbio diproyeksikan menjadi $ 13.9 bilion. Tetapi biologi sintetik masih kontroversial kerana melibatkan mengubah sifat dan potensi dan risikonya tidak difahami sepenuhnya.

Bostick, yang berusaha memperbaiki pencemaran arsenik air bawah tanah dengan merangsang bakteria semula jadi untuk menghasilkan bahan yang melekat pada arsenik, menjelaskan bahawa, sebenarnya, seluruh komuniti biologi yang bekerja pada organisma mengubah sistem biologi sepanjang masa, tetapi tidak mengubah bahan genetik atau organisma. Para saintis menghapus enzim, memasukkan yang baru, dan mengubah perkara yang berbeza untuk memahami dunia semula jadi "Itu adalah teknik standard sekarang tetapi mereka dilakukan secara mekanis," katanya. "Sekiranya anda ingin melihat bagaimana protein berfungsi, apa yang anda lakukan? Anda sebenarnya mengubahnya - begitulah cara kami mempelajari persekitaran kami. Mereka sintetik dan mereka adalah perubahan biologi tetapi mereka tidak dilakukan dengan tujuan yang menentukan biologi sintetik. " Synbio lebih kontroversial kerana tujuannya adalah untuk membina sistem biologi buatan yang belum ada di dunia semula jadi.

Walaupun begitu, biologi sintetik menghasilkan beberapa penyelesaian yang berpotensi untuk masalah persekitaran kita yang paling sukar difahami. Berikut adalah beberapa contoh.

Mengatasi pencemaran

Mikroba telah digunakan untuk merasakan, mengenal pasti dan mengukur pencemaran alam sekitar selama beberapa dekad. Kini biosensor mikroba yang disintesis mampu menyasarkan toksin tertentu seperti arsenik, kadmium, merkuri, nitrogen, amonium, nitrat, fosforus dan logam berat, dan bertindak balas dengan pelbagai cara. Mereka boleh direkayasa untuk menghasilkan isyarat elektrokimia, termal, akustik atau bioluminescent ketika menemui pencemar yang ditentukan.

CRISPR digunakan untuk memberikan bunga pendar merah pada lalat buah. Foto: NICHD

Sebilangan mikroba dapat mencemarkan tanah atau air secara semula jadi. Mensintesis protein tertentu dan memindahkannya ke bakteria ini dapat meningkatkan keupayaan mereka untuk mengikat atau menurunkan logam berat atau radionuklida. Satu bakteria tanah diberi rangkaian peraturan baru yang mengarahkannya untuk menggunakan bahan kimia industri sebagai makanan. Penyelidik di Scotland adalah bakteria kejuruteraan untuk menukar logam berat menjadi nanopartikel logam, yang digunakan dalam perubatan, industri dan bahan bakar.

CustoMem di UK menggunakan biologi sintetik untuk membuat bahan berbutir yang menarik dan melekat pada mikropolutan seperti racun perosak, farmaseutikal, dan bahan kimia tertentu dalam air sisa. Dan para penyelidik Australia berusaha untuk membuat struktur multiselular yang mereka sebut sebagai "ubur-ubur sintetik" yang dapat dilepaskan setelah tumpahan beracun untuk memecah bahan cemar.

Memelihara biodiversiti

Para saintis menggunakan biologi sintetik untuk membuat pokok chestnut Amerika lebih tahan terhadap jamur yang mematikan. Foto: Joe Blowe

Pokok chestnut Amerika menguasai Pantai Timur AS hingga tahun 1876, ketika jamur yang membawa biji chestnut yang diimport menghancurkannya, meninggalkan kurang dari satu persen pada tahun 1950. Untuk membuat pokok tahan hama, saintis telah memasukkan gen gandum ke dalam embrio chestnut, memungkinkan mereka membuat enzim yang menyahtoksin kulat. Pokok berangan ini kemungkinan akan menjadi organisme yang diubahsuai secara genetik pertama yang dilepaskan ke alam liar setelah disetujui oleh Jabatan Pertanian, Pentadbiran Makanan dan Dadah (FDA) dan Agensi Perlindungan Alam Sekitar (EPA).

Revive & amp Restore, sebuah organisasi yang menggunakan teknik genetik untuk memelihara keanekaragaman hayati, berusaha menyelamatkan musang berkaki hitam yang terancam, yang rentan terhadap wabak sylvatic. Kerana musang domestik tidak, saintis sedang mengkaji kemungkinan untuk menemukan gen yang memberikan ketahanan musang domestik dan menyuntingnya ke dalam genom musang berkaki hitam. Penyelidikan akan dimulakan dengan kultur sel di makmal.

Pemacu gen adalah mekanisme yang menyebarkan sifat genetik yang diinginkan melalui populasi untuk mengawal spesies invasif. Pemacu gen baru-baru ini dipertimbangkan untuk mengawal kerang emas, yang telah menyerang perairan Amerika Selatan dan Amerika Latin. Setelah mengenal pasti gen yang berkaitan dengan pembiakan dan kemandulan pada kerang emas, para saintis mencadangkan penggunaan CRISPR-Cas9 untuk mengedit genom kerang agar betina tidak subur. Kerang yang diubahsuai secara genetik kemudian akan dibiakkan dengan kerang liar di makmal, mewujudkan embrio yang diubahsuai yang dapat dilepaskan ke alam liar untuk menyebarkan kemandulan ke seluruh populasi. Pemacu gen untuk menghilangkan nyamuk yang membawa malaria telah berfungsi di makmal, tetapi belum ada pemacu gen yang direkayasa di lapangan.

Kerak tanah ini mengandungi cyanobacteria, alga, fungi dan lichen. Foto: membancuh buku

Beberapa saintis juga berusaha mengubah genom karang untuk memberi mereka lebih banyak ketahanan terhadap pemanasan suhu laut, pencemaran dan pengasidan lautan. Yang lain mencadangkan pengubahsuaian gen cyanobacteria yang mempengaruhi kelembapan di kerak tanah ekosistem separa gurun sehingga tanah menyimpan lebih banyak air dan lebih banyak tumbuh-tumbuhan dapat tumbuh.

Memberi makan kepada dunia

Dengan populasi dunia dijangka mencecah 10 bilion pada tahun 2050, permintaan makanan global dapat meningkat 59 hingga 98 persen. Kesan perubahan iklim — suhu yang lebih tinggi, cuaca yang melampau, kekeringan, peningkatan kadar karbon dioksida dan kenaikan permukaan laut — membahayakan kuantiti dan kualiti bekalan makanan kita.

Para penyelidik di University of California, San Diego mendapati bahawa ketika tanaman menghadapi keadaan kering, mereka melepaskan hormon yang menutup pori-pori tanaman untuk mengekalkan air, memperlambat pertumbuhannya dan membuat benih tidak aktif. Hormon itu mahal untuk disintesis, bagaimanapun, para saintis bekerja dengan reseptor yang dikembangkan secara sintetik pada tanaman tomat yang bertindak balas dengan cara yang menjimatkan air terhadap racun kulat yang biasa digunakan, menjadikan tanaman lebih tahan terhadap kekeringan.

Para saintis Salk Institute telah mengenal pasti gen yang mendorong sistem akar tumbuhan tumbuh lebih dalam ke dalam tanah. Mereka merancang untuk merekayasa jalur genetik untuk mendorong akar yang lebih dalam, yang akan membolehkan tanaman tanaman menahan tekanan, menyekat lebih banyak karbon dan memperkaya tanah.

Mikroba yang hidup dengan kekacang memberi mereka keupayaan untuk menukar nitrogen dari atmosfer menjadi nutrien yang perlu ditanam oleh tumbuhan. Namun, kerana tanaman lain tidak dapat mengasimilasi nitrogen secara semula jadi, petani secara tradisional menggunakan baja kimia. Pengeluaran baja, terutama dibuat dari bahan bakar fosil, menghasilkan pelepasan gas rumah kaca dan eutrofikasi. Sebagai alternatif, Pivot Bio, sebuah syarikat California, merekayasa gen mikroba yang hidup di akar tanaman jagung, gandum dan padi untuk membolehkan mikroba menarik nitrogen dari udara dan memberi makan kepada tumbuhan sebagai pertukaran nutrien . 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 E coli, 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 Wawasan 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 Journal of the American Chemical Society, 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."


Tonton videonya: Duchenne Muscular Dystrophy and Dystrophin (Januari 2022).