Nagyot lépett a genetika Darth Vadere: elkészült az első mesterségesen vezérelt sejt

Újabb áttörés történt a mesterséges sejtek létrehozása felé vezető úton: először állítottak elő olyan sejteket, amelyeket mesterségesen "összeszerelt" program irányít. A kívülről betöltött DNS képes volt beindítani és irányítani a sejtek működését, amit a kutatók a számítógépek bekapcsolásakor elinduló rendszerfolyamatokhoz hasonlítottak. Craig Venter, a kutatás vezetője, "a genetika Darth Vadere" eddig sem volt ismeretlen a nagyközönség számára, a mesterséges élőlények létrehozásáról azonban sokan úgy vélekednek, hogy a biológusok már "istent játszanak". Mire jók ezek a sejtek, és mi fog még kikerülni Venter laboratóriumából?

Csütörtökön zajlott Washingtonban az a sajtótájékoztató, amelyen Craig Venter és munkatársai nyilvánosan is bejelentették az első olyan baktérium létrehozását, amelyet teljes egészében mesterséges genetikai állomány (genom) irányít. Teljes bakteriális örökítőállományt már 2008-ban sikerült létrehoznia Venter csapatának, de működő, élő baktériumokba mindeddig nem tudták beültetni a szintetikus örökítőanyagot. Most végre ez is megtörtént, amivel Venter 15 éves álma vált valóra.

Mindössze ezer gént tartalmaz az átültetett genom

A San Diego-i J. Craig Venter Intézet vezetője ismert és egyben igen ellentmondásos személyiség: Venter korábbi cége, a Celera Genomics hozta elsőként nyilvánosságra a teljes emberi genetikai állomány bázissorrendjét, a Humán Genom Program kutatóival közösen. A rámenős, üzleti alapon működő, ugyanazokat az eredményeket sokkal olcsóbban elérő kutatót akkoriban "a genetika Darth Vadereként" is említette az amerikai sajtó. Most ismét Venter kutatócsoportjáé az elsőség, egy részben már mesterséges sejt létrehozásában. A szakemberek egy úgynevezett mikoplazma baktérium (Mycoplasma mycoides) mesterséges úton "összeszerelt" genetikai állományát ültették át egy másik élő baktériumba. A sejtfallal nem rendelkező mikoplazma baktériumok az emberben többek között tüdő- és medencegyulladást képesek okozni: a kórokozók egy speciális baktériumtípushoz tartoznak, amelyek csak a sejteken belül tudnak tartósan életben maradni.

A kísérlethez azért éppen egy mikoplazmát választottak, mert ezek közé tartozik a legkisebb ismert örökítőállományú élő szervezet, a M. genitalium is, amely alig ötszáz gént tartalmaz. Az M. mycoides genetikai állományát egymillió-kétszázezer nukleotid-bázispár építi fel (a nukleotidbázisok a DNS kémiai építőelemei), és 1016 gént tartalmaz. Összehasonlításként: az ember genomja 3 milliárd bázispár hosszú, és körülbelül 20-25 ezer génünk van. Látható, hogy a mikoplazma genetikai állománya jelentősen kisebb, de még egy ilyen apró élőlénynek is igen nehéz mesterséges úton létrehozni az örökítőanyagát. Korábban emiatt csak vírusok teljes DNS-ét sikerült szintetizálni. Az előállításnál is nehezebb feladat, hogy a szintetikus genomot egy másik élő baktériumsejtbe ültessék át.

Az eljárás során számos technikai probléma merült fel, így érthető, hogy miért telt el több mint két év a szintetikus genom megalkotása és ennek egy másik baktériumfajba történő átültetése között. Természetes eredetű DNS-sel persze már korábban is sikerült a művelet, így már csak arra volt szükség, hogy a kutatók valahogy kombinálják a genomátültetés és a mesterséges örökítőanyag létrehozásának módszereit.

Mesterséges DNS-sel is elindult a sejt

Bár a kutatók szintetikus, mesterséges sejtről beszélnek, érdemes tisztában lennünk vele, hogy csak az újfajta baktérium örökítőanyaga mesterséges, a sejthártyán belül található anyag, a citoplazma nem az. A mesterséges DNS mégis képes volt irányítani a sejt működését, amit a kutatók a számítógépek bekapcsolásakor elinduló rendszerfolyamatokhoz hasonlítottak. A mesterséges mikoplazma genomot egy másik mikoplazma faj, a Mycoplasma capricolum sejtjeibe ültették át: a genomot fogadó baktériumsejtek életképesnek bizonyultak, és a M. mycodies-re jellemző fehérjéket kezdték el termelni. Ezáltal gyakorlatilag egy teljes mértékben mesterséges genetikai állománnyal rendelkező M. mycodies baktériumsejtet sikerült létrehozni. Az új sejtek nemcsak külső tulajdonságaikban lettek olyanok, mint az eredeti mikoplazma baktérium, hanem önmaguk folyamatos megsokszorozására is képesek voltak - olvasható a Science folyóiratban közölt tanulmányban.

A szintetikus genommal rendelkező M. mycoides baktériumok

Az új eljárás teljes mértékben eltér azoktól, amelyeket a genomtervezés (angolul genome engineering) során szokás alkalmazni. Utóbbiak során ugyanis már létező, de természetes eredetű DNS-t módosítanak mesterségesen úgy, hogy az örökítőanyagba utólag illesztenek be DNS-darabokat, vagy éppen kitörlik azokat. Venter és kollégái azonban olyan mesterséges úton összeszerelt DNS-darabot használtak, amelyet a számítógépben előzőleg tárolt genominformáció alapján hoztak létre. Ma már a sejtek életműködéseihez szükséges összes ismert információ lementhető egy digitális fájl formájában, elvileg tehát más, bonyolultabb felépítésű sejteket is létre lehetne hozni ezzel a módszerrel. A kutatók éppen ezt tervezik, és mint Venter a sajtótájékoztatón is elmondta, már a mesterséges genetikai állománnyal rendelkező baktériumok jövőbeli alkalmazási lehetőségein gondolkodnak.

Még a klímaváltozás ellen is jók lehetnek a mesterséges baktériumok

Mire használható egy mesterséges baktérium? A szintetikus genommal rendelkező baktériumok egyrészt a genetikai és genomikai kutatásokat vihetik előre: a hasonló baktériumokkal folytatott további kísérletekből a genetikai állomány működésének számos részletére derülhet fény. Venter számos olyan alkalmazási lehetőséget is említett, amely a környezeti problémák leküzdésében is segíthetne.

Mesterséges M. mycoides baktériumok osztódás közben

Egy speciálisan a mérgező vegyületek megsemmisítésére tervezett baktérium használható lenne például az ökológiai és ipari katasztrófák során: a környezetbe kerülő toxikus anyagokat a mostaninál talán hatékonyabban lehetne eltávolítani vagy semlegesíteni. Egy további alkalmazási lehetőség olyan algafajok létrehozása lenne, amelyek képesek elnyelni a légkörben található szén-dioxidot, a szintetikus baktériumok tehát a klímaváltozás elleni harcban is segíthetnének. Újfajta bioüzemanyagokat szintén létre lehetne hozni a genommódosított baktériumok segítségével. (A mostaninál környezetbarátabb üzemanyagok újfajta előállítási lehetőségeiről korábbi cikkünkben olvashatnak bővebben: A legtisztább üzemanyag).

Komoly etikai tanulmány előzte meg a munkát

A korábbi eredményeket látva számos újság arról írt, hogy a kutatók lassan túl messzire mennek, és teremtőnek kezdik képzelni magukat (erre utalt például a Newsweek magazin korábbi címlapja, amelyen Venter fényképe mellé azt írták, hogy "Playing God", vagyis Istent játszani). "Fontos lépés ez, tudományos és filozófiai értelemben is. A kutatás természetes komoly hatással volt arra, ahogy az élet definícióját és működését elképzelem. A kísérletek lehetséges következményeit már korábban számba vettük: széleskörű etikai kutatást folytattunk még az 1990-es években annak érdekében, hogy tudjuk, mit tehetünk meg, és mit nem. A tudományban talán ez az első olyan eset, amikor még azelőtt alaposan megvizsgálták egy kísérlet etikai vonatkozásait, hogy maga a munka elkezdődött volna" - mondta Venter.

Craig Venter (balra) és kollégája, Hamilton O. Smith

A mesterséges élőlények létrehozására nem ez az első kísérlet. Egy biológusokból és kémikusokból álló amerikai kutatócsoport Jack Szostak vezetésével korábban úgynevezett elősejteket hoztak létre. "Ezek az elősejtek állnak a legközelebb ahhoz, hogy további kémiai anyagok "beletöltésével" igazi biológiai organizmussá váljanak" - állítja Szostak. Az elősejtek membránja növekedni és osztódni képes, és már most képesek másolatot készíteni korlátozott méretű, egyszerű genetikai szekvenciákról (ennek jelentőségéről lásd keretes anyagunkat). A kutatók azt szeretnék elérni, hogy az elősejt tetszőleges DNS-darabokról tudjon másolatokat készíteni, olyanokról, amelyek már valami hasznos információt is kódolnak. Ezek aztán elindíthatnák az új életformát a darwini evolúció útján, ahhoz hasonlón, amelyen legősibb élő elődeinknek végig kellett menniük.

A sejt kulcsfontosságú részeinek, például a kromoszómáknak vagy a sejt "fehérjegyárainak" (riboszómák) mesterséges változatát szintén sikerült már előállítani. Sőt, Robert Linhardt és a Rensselaer Polytechnic Institute kémikusai nemrég egy teljes és működő sejtszervecskét is létrehoztak. A kutatók az úgynevezett Golgi-készülék működését modellezték egy miniatűr chipen, kilenc elektródával és a lapkára felvitt molekulákat módosító valódi enzimekkel. A mesterséges sejtszervecskével heparint, vagyis véralvadásgátló anyagot is lehetett termelni.

Látható, hogy most már csak idő kérdése, hogy mikor sikerül létrehozni az első, valóban mesterséges élőlényt. A szintetikus biológia szempontjából Venterék eredménye alapvető lépés, ami később a biotechnológiai iparban is komoly változásokat eredményezhet majd. Venter jelenlegi cége, a Synthetic Genomics többféle szabadalommal is levédette a szintetikus genomú élőlény létrehozására szolgáló eljárásokat, egy ottawai civil szervezet, az ETC csoport pedig már 2007-ben figyelmeztetett rá, hogy mindez monopóliumok kialakulásához vezethet a területen. Mások szerint ez nem valószínű, és csak egy dolog biztos, hogy érdekes teremtmények fognak még kikerülni a Venter intézet laborjaiból - mondta a Science-nek Kenneth Oye, a Cambridge-i Massachusetts Institute of Technology társadalomkutatója.

Az élő rendszerek működésének egyszerűsített modellje

Gánti Tibor által az 1970-es években alkotta meg az életjelenségeket mutató rendszerek leegyszerűsített elméleti modelljét. A "chemoton-rendszer" olyan önreprodukáló (autokatalitikus) körfolyamatok együttese, amelyek egymással összekapcsolódnak és kölcsönhatnak, a rendszer egésze pedig életjelenségeket produkál. A modell három alrendszerének egyszerűsített leírása a következő (zárójelben az adott alrendszernek a mai földi élet esetében megjelenő domináns összetevőivel):

• Anyagcsere-alrendszer: olyan önreprodukáló kémiai rendszer, amely a környezetből felvett elemeket és molekulákat más molekulákká alakítja. Energiát termel és alapanyagot szolgáltat a további két alrendszernek (különböző fehérjék együttese).
• Vezérlő alrendszer: mintaként szolgáló molekulaláncok, amelyek elkészítik saját másolataikat, és számos információ kódolására adnak lehetőséget (RNS, DNS).
• Membrán alrendszer: részlegesen áteresztő burkot alkotó molekulák együttese, amely a fenti két alrendszert körbeveszi, és azt elkülöníti a környezettől (foszfolipidek alkotta hártya, sejtfal).

A chemoton anyagcserét folytathat, növekedhet, szaporodhat és programvezérelt. Ha a folyamatok összjátékaként, alkalmanként véletlen örökletes változások keletkeznek a chemotonban, az ezután született "utód" eltérhet a "szülőtől", tulajdonságait pedig ő is képes lesz örökíteni. A természetes kiválasztódás révén a kevésbé hatékony formák idővel háttérbe szorulnak, az egymást követő nemzedékek pedig evolválódnak, az újabb és újabb egyedek tehát egyre fejlettebbé válnak.

Forrás: Science/AAAS/EurekAlert