Sünteetiline genoomika: definitsioon, meetodid ja rakendused
Sünteetiline genoomika on geenitehnoloogia üks liik. Sellega tehakse geenid, mida looduses ei esine.
Sünteetiline genoomika ei kasuta looduslikult esinevaid geene. See võib kasutada spetsiaalselt loodud aluspaaride seeriat. Tulevikus võib see kasutada geneetilisi koode, mis ei koosne praegu eluvormide poolt kasutatavatest kahest DNA aluspaarist.
Sünteetiline genoomika kasutab geneetiliste uuringute tehnikaid. Teadlased saavad odavalt ja suures mahus täpselt valmistada pikki aluspaaride ahelaid. See võimaldab neil teha katseid genoomidega, mida looduses ei ole. Nad kasutavad ka valkude voltimise ideid ja kõrgtehnoloogilisi arvutusvõimalusi.
Mis see on ja miks see erineb tavalistest geenitehnoloogiatest
Sünteetiline genoomika tähistab süsteemi, kus genoomi sisu ei pärine otse looduslikust organismsest või kus seda on disainitud ja kokku pandud võimalikult otse laboritingimustes. Traditsiooniline geenitehnika muudab või lisab olemasolevaid geene, samas kui sünteetiline genoomika võib luua terveid genoomikonstruktsioone algusest peale — kaasa arvatud geneetilised koodid või aluspaarid, mida loodus ei kasuta.
Peamised meetodid ja tehnoloogiad
- Keemiline nukleotiidsüntees: lühikeste DNA‑oligonukleotiidide automaatne valmistamine on lähtepunkt suuremate järjestuste kokkupanekuks.
- Järjestuste kokkupanek: fragmente liidetakse kokku erinevate meetoditega (näiteks Gibsoni meetod, Golden Gate, ligatsioonipõhised protseduurid). Suurte DNA‑molekulide puhul kasutatakse sageli sekventsivõistlust ja featuuride kujundamist vigade parandamiseks.
- Siire ja replikatsioon: valmis genoomi või kromosoomi ikoonimine saajarakku — tuntud kui genoomi transplantatsioon — võimaldab uut genoomi käivitada elus raku kontekstis.
- Rakkudes põhinev kokkupanek: pärmi ja teiste pärnasüsteemide transformatsiooni ja rekombinatsiooni vahendusel (nt transformation‑associated recombination, TAR) saab sünteetilisi fragmente kombineerida väga suurteks kromosoomi‑ või genoomimolekulideks.
- Arvutusdisain ja in silico simulatsioon: genoomide modelleerimine, geenide optimeerimine ja valkude modelleerimine (nt pööramiseks sobivate struktuuride ning funktsioonide ennustamine) aitab disaini juba enne sünteesi testida.
- Kinnitamine ja kvaliteedikontroll: lõplikud konstruktsioonid kontrollitakse kõrge läbilaskejärjestusega sekveneerimise ja funktsionaalsete katsetega.
Tuntud näited ja saavutused
J. Craig Venteri instituut töötab selles valdkonnas. Umbes 20 teadlasest koosnevat meeskonda juhivad Nobeli preemia laureaat Hamilton Smith, DNA-uurija Craig Venter ja mikrobioloog Clyde A. Hutchison III. Venteri rühm on 25 kattuva fragmendi rekombinatsiooni teel kokku pannud poolsünteetilise Mycoplasma genitalium bakteri genoomi. See tehti ühe sammuga:
"Pärmi rekombinatsiooni kasutamine lihtsustab oluliselt suurte DNA-molekulide koostamist nii sünteetilistest kui ka looduslikest fragmentidest".
Geneetikud on valmistanud esimese sünteetilise kromosoomi pärmi jaoks. "Algse kromosoomi geenid asendati sünteetiliste versioonidega ja valmis tehiskromosoom integreeriti seejärel edukalt pärmirakku".
Teised ettevõtted, sealhulgas ettevõte Synthetic Genomics (ettevõte), on loodud selleks, et kasutada ära kohandatud genoomide arvukaid ärilisi kasutusvõimalusi.
Oluline on mainida, et Venteri grupi üks tuntumaid saavutusi oli 2010. aastal teatatud "sünteetilise raku" loomine — teadlased koondasid laboratoorselt kokku kogu bakterigeenoomi (Mycoplasma mycoides) ja implanteerisid selle vastuvõtjarakku, mille tulemusena rakku juhendas uut, sünteesitud genoomi. See töö näitas, et genoomi võib küll laboritingimustes ehitada ja käivitada, kuid sõnastus ja tehnilised detailid erinevate tööde vahel võivad erineda.
Rakendused
- Biotööstus ja tootmine: kohandatud mikroobid võivad toota biokütuseid, keemilisi ühendeid, säilitusaineid ja ensüüme tõhusamalt kui looduslikud sordid.
- Ravimid ja biotehnoloogilised tooted: sünteetilised genoomid võivad aidata uute vaktsiinide, ravi‑ ja geeniteraapia vektorite ning ravimprekursori tootmisel.
- Põllumajandus: põllukultuuride mikrobiomide kohandamine, pinnaseprotsesside mõjutamine või taimekaitseainete tootmine otse mikroobide poolt.
- Uuringud ja põhitõded: genoomide koostamine võimaldab testida põhiküsimusi evolutsioonist, genoomi arhitektuurist ja geenide funktsioonist.
- Keskkonnarakendused: saasteainete puhastamine, biolagundamine või biosensorid keskkonnaseireks.
Riskid, eetika ja regulatsioon
Sünteetiline genoomika toob kaasa nii suuri võimalusi kui ka riske. Peamised murekohad hõlmavad:
- Bioohutus: sünteetiliste organismide avalikkusele või loodusele lubamine ilma piisava kontrollita võib põhjustada ootamatuid tagajärgi.
- Bioturvalisus ja dual‑use: tehnoloogia võib võimaldada nii kasulikku kui ka pahatahtlikku kasutust; regulatsioon ja järelevalve on vajalikud kuritarvituste ärahoidmiseks.
- Õiguslikud ja majanduslikud küsimused: intellektuaalomand, biotehnoloogiate litsentsimine ja kasu jagamine võivad tekitada vaidlusi.
- Eetilised kaalutlused: "eluvormide" konstrueerimisega seotud väärtusküsimused, avalik arutelu ja läbipaistvus on olulised.
Tulevikusuunad
Tulevikus võib sünteetiline genoomika edasi minna mitmel suunal: geneetilise koode ümberkujundamine (nt uute aminohapete ja laienenud koodideni), mitte‑tavaliste aluspaari süsteemide (XNA või kunstlikud aluspaari paarid) kasutuselevõtt, täiustatud automatiseeritud disain‑ja‑sünteesiplatformid ning suurem ühildumine arvutusdisaini ja tehisintellektiga, mis parandavad eesmärgipärast genoomikonstruktsiooni kiirust ja täpsust. Samuti laieneb rahvusvaheline regulatiivne ja eetiline arutelu, et tagada ohutu ja ühiskonnale kasulik kasutus.
Kuigi tehnoloogiad arenevad kiiresti, on oluline ühendatud lähenemine: teadlased, reguleerijad, kodanikuühiskond ja ettevõtted peavad koos töötama, et maksimeerida kasu ja vähendada riske. Avalik kaasamine ja läbipaistvus aitavad kujundada vastutustundlikku arengut selles võimsa potentsiaaliga valdkonnas.
Küsimused ja vastused
K: Mis on sünteetiline genoomika?
V: Sünteetiline genoomika on geenitehnoloogia liik, mis loob geenid, mida looduses ei esine. See ei kasuta looduslikult esinevaid geene, vaid võib kasutada spetsiaalselt loodud aluspaaride seeriat.
K: Kuidas sünteetiline genoomika toimib?
V: Sünteetiline genoomika kasutab geneetilistest teadusuuringutest pärit tehnikaid, et luua odavalt ja täpselt pikki aluspaaride ahelaid suures mahus. See võimaldab teadlastel eksperimenteerida genoomidega, mida looduses ei eksisteeri. Kasutatakse ka valkude voltimise ideid ja kõrgtehnoloogilisi arvutusvõimalusi.
K: Kes juhib teadusuuringuid selles valdkonnas?
V: J. Craig Venteri instituudi umbes 20 teadlasest koosnevat meeskonda juhivad Nobeli preemia laureaat Hamilton Smith, DNA-uurija Craig Venter ja mikrobioloog Clyde A. Hutchison III.
K: Mida on Venteri rühm seni saavutanud?
V: Venteri rühm on pannud kokku poolsünteetilise Mycoplasma genitalium bakteri genoomi, kasutades pärmi rekombinatsioonitehnoloogiat, mille käigus rekombineeriti 25 kattuvat fragmenti ühes etapis. Lisaks on geneetikud valmistanud esimese sünteetilise kromosoomi pärmi jaoks, asendades originaalkromosoomi geenid sünteetiliste versioonidega ja integreerides need edukalt pärmirakku.
K: Kas kohandatud genoomide jaoks on olemas kaubanduslikke rakendusi?
V: Jah, sellised ettevõtted nagu Synthetic Genomics on loodud selleks, et kasutada ära kohandatud genoomide arvukaid ärilisi kasutusvõimalusi.
K: Milliseid eksperimente saab sünteetilise genoomika abil teha?
V: Katseid saab teha genoomidega, mida looduses ei ole, kasutades sünteetilise genoomika tehnikaid, nagu näiteks pikkade aluspaaride ahelate odav ja täpne loomine suures mahus või 25 kattuva fragmendi rekombineerimine ühes etapis, kasutades pärmi rekombinatsioonitehnoloogiat.
