1. oldal
Craig Venter és kollégái kaliforniai laborjukban egy olyan sejtet hoztak létre, amely minden más önállóan funkcionáló organizmusnál kevesebb génnel rendelkezik. A 473 gént tartalmazó sejt rendkívül fontos mérföldkövet jelent a csapat munkájában, amelynek célja az élet legszükségesebb összetevőinek azonosítása, és ezen tudás birtokában újfajta, mesterséges életformák létrehozása.
A szintetikus élet kapcsán először persze nem kell nagy dolgokra gondolni: Venter és társai úgy képzelik el a közeljövőt, hogy a jelenleg számos különböző anyag megtermelésére használt, génszerkesztett baktériumok helyett az általuk előállított sejtek állítják majd elő a kívánt hatóanyagokat, üzemanyagot és egyéb anyagokat. Ennek kapcsán persze rögtön felmerülhet az a kérdés, hogy ha az egyre jobb és egyre olcsóbb génszerkesztési eljárások révén az egysejtűeket napjainkban már viszonylag könnyű rávenni arra, hogy bizonyos anyagokat megtermeljenek, mi értelme éveket és vagyonokat ölni abba, hogy nulláról felépítsék a szakértők azt, ami készen rendelkezésre áll, csak némi átalakítást igényel.
Venter és csapata 2010-ben mutatták be első szintetikus sejtjüket, bár ennek valóban mesterséges voltát sokan megkérdőjelezték. A kutatók ugyanis egyszerűen lemásolták egy létező baktérium génállományát, majd ezt beültették egy másik sejtbe. A mostani eredmény azonban egészen más jellegű, hiszen a létrehozott minimalista sejtek nem hasonlítanak egyetlen természetben létező életformára sem. Ehelyett, ahogy Venter fogalmazott, egy teljesen új, szintetikus faj tagjai.
Az újfajta genomok kiépítésének lehetősége a szintetikus biológusok legnagyobb álma, mondja Paul Freemont, az Imperial College London kutatója. Ezen álom megvalósítását ugyanakkor nemcsak anyagi, hanem technikai szempontok is nehezítik. Míg a génszerkesztés, és annak legújabb módszere, a CRISPR–Cas9 nagyon hamar rendkívüli népszerűségre tett szert, és használata gyorsan elterjedt az ipari, mezőgazdasági és orvosi laborokban, szintetikus sejtek létrehozásával alig foglalkozik valaki. „A CRISPR felbukkant, és egyik napról a másikra 30 ezer vagy még több kutató kezdte alkalmazni” – mondja George Church, a Harvard genetikusa.
A kaliforniai labor munkatársai szerint azonban ahhoz, hogy tényleg megértsük, mit is jelent az élet, tudunk kell azt az alapoktól felépíteni. Venter csapata egy 1995-ös tanulmánnyal lépett a szakmai közönség elé, amelyben a Mycoplasma genitalium, egy nemi érintkezéssel terjedő terjedő baktérium genomjának szekvenálásáról számoltak be. Ez a mikroba azért tűnt érdekesnek az élet esszenciális genetikai hátterét kutató szakértők szempontjából, mert mindössze 525 génnel rendelkezik. A kutatók a gének egyenként való blokkolása révén felmérték, hogy mely DNS-szakaszok szükségesek az egysejtű működéséhez, és ilyen módon 375 olyan génre szűkítették le a keretet, amely feltétlenül szükségesnek tűnt.
Annak kiderítése érdekében, hogy eredményük tényleg helyes-e, a kutatók ezt követően nekiálltak a nulláról felépíteni a bakteriális genomot, hogy egy napon majd hasonló módszerrel létrehozzák azt a verziót is, amely ténylegesen csak a minimálisan szükséges fehérjekódoló szakaszokat tartalmazza. A szükséges DNS-szakaszokat kémiai úton szintetizálták, majd összekapcsolták a fragmentumokat. A munka eleinte nagyon lassan, majd a technológia fejlődésével egyre gyorsabban ment, míg végül 2008-ra sikerült elkészíteni az M. genitalium genomjának majdnem pontos másolatát. (Az eredeti és a szintetikus genetikai állomány közt mindössze annyi eltérés volt, hogy a kutatók „vízjel” gyanánt beleépítettek a genomba néhány nem funkcionális szakaszt.)
A munka során azonban arra is rájöttek a szakértők, hogy bár az általuk elsőre kiválasztott baktériumfaj genommérete alapján jó kiindulópont volt a kutatáshoz, annak laborbeli tenyésztése problematikus. Rövidesen tehát leváltották a fajt a jóval gyorsabban szaporítható Mycoplasma mycoidesre. Miután ennek genomjának szintetikus másolatát is elkészítették (a DNS-szekvenciát saját nevükkel és néhány híres idézettel bővítve ki), beültették a génállományt egy olyan baktériumba, amelyet előzőleg megfosztottak saját genomjától.
Az így létrehozott JCVI-syn1.0 nevű sejteket 2010-ben mutatták be a nagyközönségnek, a szintetikus élet első képviselőiként prezentálva a baktériumokat. A nagy port kavart eredmény kapcsán ugyanakkor többen is jelezték, hogy Venter nem új életet teremtett, hanem csak egy létező receptet másolt le, amelyet ráadásul ki is bővített néhány plusz szakasszal. A több mint egymillió bázispárra duzzasztott genom pedig sok mindennek nevezhető, de az élet minimumának biztosan nem.
2. oldal
A kutatók ezt követően már valóban eredeti céljuk felé fordultak, és megkísérelték létrehozni az M. mycoides 471 génes változatát, kiiktatva a képből mindazon géneket, amelyek olyan tápanyagok termeléséhez szükségesek, amelyeket kívülről is lehetséges pótolni a mikroorganizmus számára. Ez a kísérlet végül nem eredményezett életképes végeredményt.
Az élethez szükséges gének azonosítása érdekében a kutatók a munka következő szakaszában új stratégiához folyamodtak. Az M. mycoides genomját újra és újra nyolc részre osztották fel, majd a szegmentumokat kombinálva megvizsgálták, hogy melyik elrendezés produkál életképes sejteket. A szakértők ilyen módon minden egyes kísérlettel közelebb kerültek ahhoz, hogy mely géneket kell belefoglalniuk a minimálgenomba. A módszer révén ráadásul arra is fény derült, hogy melyek azok a nem kódoló szakaszok, amelyek feltétlenül szükségesek az élethez, mivel létfontosságú gének kifejeződését szabályozzák. A munka során olyan génekre is sikerült ráakadni, amelyek gyakorlatilag ugyanazt a feladatot látják el a sejtben, így egyikük törölhető lehet.
A próbálkozások másik érdekes eredménye az volt, hogy kiderült, a gének meglepően rugalmasak, ami funkciójukat illeti. Az egyes DNS-szakaszok feladata ugyanis több esetben is attól függött, hogy milyen más gének voltak jelen a genomban. Ez pedig erősen alááshatja az elmúlt évtizedekben meghonosodott, „géncentrikus” szemléletmódot, amely alapján egyes génváltozatok meglétét a kutatók bizonyos betegségek kialakulásához kötik.
Egy „kórokozó” allél egy faj egyik egyedében valóban veszélyes lehet, míg egy másikban, ahol más génváltozatokkal van körülvéve, teljesen ártalmatlan, illetve fordítva. Egyáltalán nem biztos tehát, hogy a problémásnak ítélt génváltozatok genomból való kiszerkesztése kielégítő megoldást jelent az ilyen problémákra, mondja Venter, aki szerint emberi génszerkesztéssel addig nem is lenne szabad próbálkozni, amíg a végére nem járnak ezen kérdéseknek.
A munka eredményeként kidolgozásra került egy szekvencia, amely 531 ezer bázispárból és 473 génből áll, és teljesen életképes. A JCVI-syn3.0 ráadásul egészen tisztességes, 3 órás megkettőződési idővel rendelkezik, ami az M. genitalium 18 és az M. mycoides 1 órájával összevetve abszolút versenyképes eredmény. „Richard Feynmant idézve, amit nem tudunk létrehozni, azt nem értjük – ez a feltétel pedig jelen esetben teljesült” – mondja Martin Fussenegger svájci kutató. „Már csak hozzá kell adni néhány gént, és meglátjuk, mi történik.”
A syn3.0 számára a működéséhez szükséges molekulák javát külső forrásból kell folyósítani, génjei pedig olyan belső feladatokat fedeznek, mint a fehérjeszintézis, a DNS másolása és a sejtmembrán kiépítése. Venter elmondása szerint ugyanakkor egyelőre még nem teljesen igaz az a megállapítás, hogy a kutatók értik, amit létrehoztak, a minimálgenom 149 génjének feladatára ugyanis eddig nem sikerült fényt deríteni. Ezek jelentős része más élőlényekben is megvan, de hogy mit csinálnak, az rejtély. A következő feladat tehát annak megértése, hogy a jelenlegi legkisebb önálló élethez szükséges genomban vajon mit művel a gének ezen rejtélyes harmada.
Ez Fussenegger szerint is nagyon izgalmas kérdés, hiszen a bolygón élő fajoknak már egy jelentős része esetében ismert a genom szekvenciája, úgy tűnik azonban, hogy az élethez szükséges génekről még messze nem tudunk mindent. Church szerint is éppen emiatt az eredmény miatt lehet különösen értékes az új eredmény. A szakértő úgy véli, hogy a felvetődő kérdések új lendületet adhatnak a szintetikus biológiai kutatásoknak, amelyekre egyre nagyobb szükség lesz.
Míg ugyanis génszerkesztési eljárások révén nagyon sok minden megoldható, az igazán specifikus hatóanyagok és kémikumok előállításához inkább genomtervezésre, mint genomátalakításra lesz szükség. Arról nem is beszélve, hogy mesterségesen előállított genomok révén, ahogy az a mostani kutatásból is kiderült, új megközelítésben lehet vizsgálható, hogy mi szükséges az élethez, vagy hogy hogyan változnak a genomok.
Venter azt is hozzáteszi mindehhez, hogy bár a syn3.0 genom próbálkozások hosszú sora árán állt össze, a jövőben ezen a téren gyors fejlődés várható. Hiszen minden egyes szintetikus genommal több tudható meg arról, hogyan érdemes ezeket a génállományokat felépíteni, és melyek azok a kulcsfontosságú részletek, amelyek működőképessé tesznek egy-egy genetikai állományt.
Az eredmény kapcsán ugyanakkor fontos leszögezni, hogy a 473 génes genom nem a minimálgenom, hanem csak egy minimálgenom a sok közül. Ha Venter és kollégái más körülmények között tenyésztették volna mikrobáikat, egészen másfajta esszenciális génkészletet kaptak volna a fölöslegesnek ítélt DNS-szakaszok kidobálása után. A végeredmény tehát csak az adott környezetben ezen baktérium számára minimálisan szükséges gének összességét tükrözi.