6 Minute
Un cod genetic rescris radical
Cercetători de la Medical Research Council Laboratory of Molecular Biology (MRC LMB) din Marea Britanie au construit o tulpină sintetică de Escherichia coli, denumită Syn57, al cărei genom utilizează doar 57 din cele 64 de codoni standard care stau la baza vieții pe Pământ. Prin redesenarea întregului mecanism genomic al bacteriei, echipa a comprimat codul genetic canonic și a demonstrat că o celulă vie poate funcționa cu un set substanțial redus de codoni — un reper care deschide noi căi pentru extinderea codului genetic, biotehnologia industrială și securitatea biologică.
Context științific: Ce sunt codonii și de ce sunt unii redundanți?
Codul genetic traduce secvențele de ADN și ARN în proteine folosind 64 de codoni, fiecare fiind un triplet de nucleotide. Acești codoni dictează ce aminoacid urmează să fie adăugat în timpul sintezei proteice și când trebuie întreruptă traducerea. Organismele naturale folosesc doar 20 de aminoacizi pentru a construi proteine, astfel încât mulți codoni sunt sinonimi — codoni diferiți care specifică același aminoacid. Această redundanță a persistat de-a lungul miliardelor de ani de evoluție, dar oferă și o oportunitate de proiectare: dacă anumiți codoni pot fi eliminați fără a compromite funcția celulară, acei codoni „eliberați” pot fi reatribuiți pentru noi funcții biochimice.
Rescrierea unui genom: Cum a fost construit Syn57
Echipa MRC LMB a creat Syn57 prin redesenarea și sinteza întregului genom al bacteriei. Ei au eliminat sistematic codonii redundanți selectați și i-au înlocuit cu alternative sinonime. Mai exact, cercetătorii au eliminat patru din cele șase codoni pentru serină, doi din patru codoni pentru alanină și un codon de stop în întregul genom. Realizarea arhitecturii cu 57 de codoni a necesitat mai mult de 101.000 de modificări nucleotidice dirijate.
Redesenarea a fost planificată în silico și executată în etape: genomul a fost fragmentat în segmente de aproximativ 100 kilobaze care au fost sintetizate, testate în gazde vii și combinate iterativ. Această validare treptată a redus riscul unor modificări letale sau dăunătoare. Pe parcursul lucrului, echipa a întâmpinat incertitudini și obstacole tipice ingineriei genomice la scară mare — dar testarea atentă a constructelor intermediare le-a permis să asambleze în final tulpina complet sintetică Syn57.
Reper tehnic
Syn57 îl înlocuiește pe deținătorul anterior al recordului, un genom cu 61 de codoni. Prin comprimarea codului la 57 de codoni, cercetătorii au eliberat șapte codoni în comparație cu setul complet de 64. Aceasta face din Syn57 cel mai extins organism recodificat până în prezent și demonstrează că viața poate tolera o schiță genetică semnificativ comprimată.
Descoperiri cheie, aplicații și implicații
O oportunitate științifică imediată rezultată din comprimarea codonilor este extinderea codului genetic. Cu mai puțini codoni nativi în uz, cercetătorii pot reatribui codonii eliberați pentru a codifica aminoacizi non-canonici sau elemente sintetice de construcție. Aceste reziduuri noi pot fi folosite pentru a fabrica polimeri noi, macrocicluri și proteine proiectate cu proprietăți inexistente în natură. În cuvintele echipei, Syn57 oferă „mai mult spațiu pentru a introduce aminoacizi non-canonici”, deschizând posibilități pentru chimii sintetice și terapii inovatoare.
O altă implicație majoră este securitatea biologică. Un genom care se îndepărtează de codul canonic poate deveni practic ilizibil pentru viruși naturali și elemente genetice mobile, care se bazează pe sistemul de traducere al gazdei. Acea incompatibilitate translatională ar putea conferi rezistență intrinsecă la infecții și ar reduce riscul contaminării virale în fermentația industrială. Recodificarea creează, de asemenea, un mecanism de confinare genetică: transferul orizontal de material genetic din Syn57 către microbi sălbatici ar produce probabil proteine nefuncționale, contribuind astfel la prevenirea răspândirii genelor proiectate în ecosisteme naturale.
Beneficii pentru industrie și cercetare
În biotehnologia industrială, tulpini în stilul Syn57 ar putea diminua riscurile economice ale producției microbiene la scară largă prin reducerea probabilității unor episoade virale. În cercetarea academică, un suport recodificat reprezintă o platformă flexibilă pentru introducerea inovațiilor din biologia sintetică, limitând în același timp interferența cu organismele naturale.
Perspective ale experților
Dr. Laura Chen, cercetătoare în biologie sintetică (ficțional), comentează: „Reducerea unui genom la 57 de codoni este un tur de forță în proiectare și asamblare. Arată că sinteza genomică poate plasa viața în regiuni anterior neexplorate ale «spațiului de secvențe». Practic, asta oferă inginerilor un chassis mai sigur și mai controlabil pentru a implementa chimii non-naturale. Implicațiile etice și ecologice necesită în continuare o supraveghere atentă, dar dovada tehnică a conceptului este convingătoare.”
Perspective viitoare și provocări
În continuare, cercetătorii vor evalua stabilitatea pe termen lung a Syn57, performanța sa de creștere în condiții diverse și cât de bine tolerează încorporarea aminoacizilor non-canonici. Provocările includ menținerea fitness-ului după recodificări la scară largă, scalarea producției și stabilirea unor cadre robuste de reglementare și biosiguranță care să abordeze eliberarea în mediul înconjurător, riscurile de utilizare duală și preocupările publice.
Concluzie
Syn57 reprezintă un reper în sinteza genomică și ingineria codului genetic: o bacterie vie construită să opereze cu doar 57 de codoni. Realizarea dovedește că viața tolerează o compresie semnificativă a codonilor și creează oportunități de a extinde biologia cu aminoacizi non-canonici, de a îmbunătăți robustețea proceselor biotehnologice industriale și de a adăuga caracteristici de confinare genetică. Pe măsură ce cercetătorii rafinează aceste tehnologii, administrarea prudentă va fi esențială pentru a valorifica beneficiile în timp ce se gestionează riscurile etice și ecologice.
Sursa: science
Comentarii