Caulobacter crescentusは、世界中の安全な淡水細菌です。
生物の既知のゲノムはすべて、米国国立生物工学情報センターが所有するデータベースに保存されています。 これでデータベースにエントリがあります： Caulobacter ethensis-2.0 。 これは、 ETHチューリッヒの科学者によって開発された、世界初の完全にコンピューター化された生物ゲノムです。 Caulobacter ethensis-2.0ゲノムは非常に大きなDNA分子の形で物理的に得られたが、対応する生物はまだ存在しないことを強調しなければなりません。Caulobacter ethensis-2.0は 、世界中の湧き水、川、湖に自然に見られる、よく研究され安全な淡水細菌Caulobacter crescentusのゲノムに基づいています。 それは病気を引き起こしません。 Caulobacter crescentusは 、細菌の寿命を研究するために研究所で一般的に使用されるモデル生物でもあります。 この細菌のゲノムには4000個の遺伝子が含まれています。 科学者たちは以前、これらの遺伝子のうち約680個だけが実験室での細菌の生存に重要であることを示していました。
ETHチューリッヒの実験システム生物学教授であるBeat Kristenと、ETHチューリッヒの化学者である弟のMatthias Kristenは、最小のCaulobacter crescentusゲノムをベースにした。 彼らはこのゲノムを連続したリング染色体としてゼロから化学合成することを意図していました。 このタスクは本当に難しいと考えられています。11年前にアメリカの遺伝学の先駆者であるクレイグベンターによって導入された化学合成細菌ゲノムは、20人の科学者による10年間の研究の結果でした。 彼らは、プロジェクトの費用が4000万ドルだと言います。
組み立てプロセスの合理化
ヴェンターグループは天然のゲノムの正確なコピーを作成しましたが、ETHチューリッヒの科学者はコンピューターアルゴリズムを使用してゲノムを根本的に変更しました。 彼らの動機は2つありました。1つはゲノムの合成をはるかに簡単にすること、もう1つは生物学の基本的な問題を解決することです。
細菌遺伝子のサイズのDNA分子を作成するには、科学者は段階的に行動する必要があります。 カウロバクターゲノムの場合、ETHチューリッヒの科学者は、ゲノムの236の断片を合成し、その後それらをステッチしました。 「これらのフラグメントの合成は必ずしも単純ではありません」とマティアスクリステンは説明します。 「DNA分子は他のDNA分子に付着するだけでなく、配列によってはループやノードにねじれ、合成プロセスが複雑になったり、不可能になったりすることがあります」とMatthias Kristen氏は説明します。
簡易ゲノム
最も単純な方法でゲノムの断片を合成し、すべての断片を最も正確な方法でまとめるために、科学者は実際の遺伝情報（タンパク質レベル）を変更せずにゲノムの配列を根本的に簡素化しました。 生物学には遺伝情報を保存するための予備が組み込まれているため、ゲノムを単純化する多くの可能性があります。 たとえば、多くのアミノ酸には、情報をDNAに書き込む可能性が2つ、4つ、またはそれ以上あります。
ETHチューリッヒの科学者によって開発されたアルゴリズムは、遺伝コードのこの冗長性を最適に利用します。 このアルゴリズムを使用して、彼らは彼らの仕事で使用したゲノムを合成し構築するために最も経済的なDNA配列を計算しました。
In vitro Caulobacter ethensis-2.0ゲノム
その結果、科学者はミニマルゲノムに多くの小さな変更を加えましたが、それは印象的です。人工ゲノムの800,000文字のDNAの6分の1以上が「自然な」ミニマルゲノムと比較して置き換えられました。 「私たちのアルゴリズムのおかげで、ゲノムを完全に書き換えて、元の配列とはまったく異なる新しいDNA文字配列にできました。 ただし、タンパク質レベルでの生物学的機能は維持されています」とBeat Kristen氏は言います。
遺伝学におけるリトマス試験
書き換えられた遺伝子は生物学的な観点からも興味深いものです。 「私たちの方法は、生物学者が遺伝学を正しく理解しているかどうかを調べるリトマス試験であり、知識のギャップを強調することができます」とビートクリステンは説明します。 当然、転写されたゲノムには、研究者が本当に理解した情報のみが含まれている場合があります。 DNAシーケンス内にあり、科学者によってまだ理解されていない可能性のある「隠された」追加情報は、新しいコードの合成プロセスで失われます。
科学者は、天然のカウロバクターゲノムと新しい人工ゲノムの断片の両方を含む細菌の株を成長させました。 これらの細菌の一部の天然遺伝子を無効にすることにより、科学者は人工遺伝子の機能をテストすることができました。 彼らは多段階プロセスで各人工遺伝子をテストしました。
これらの実験で、科学者は680個の人工遺伝子のうち約580個のみが機能的であることを発見しました。 「知識があれば、アルゴリズムを改善し、ゲノム3.0の完全に機能するバージョンを開発できます」とBeat Kristen氏は言います。
バイオテクノロジーの巨大な可能性
「ゲノムの現在のバージョンはまだ完全ではないという事実にもかかわらず、私たちの研究は、生物学的システムが非常に単純な方法で構築されていることを示しています。 -マティアス・クリステンは言います。 これは比較的簡単な方法で取得できます。BeatKristen氏は次のように強調しています。「クレイグベンターにとって10年かかったもの。私たちの小さなグループはわずか120,000スイスフランのコストで1年間新しいテクノロジーを使用しました」
「私たちは、そのようなゲノムを備えた機能的な細菌細胞をすぐに生産することも可能になると信じています」とBeat Kristenは言います。 このような開発には大きな可能性があります。 将来の用途として考えられるのは、バイオテクノロジー、たとえば複雑な薬学的に活性な分子またはビタミンの合成に使用できる合成微生物です。 この技術は、 カウロバクターだけでなく、すべての微生物に普遍的に適用できます。 別の可能性は、DNAワクチンの生産です。「研究結果とその可能な用途がどれほど有望であるにせよ、彼らはこの技術を使用できる目的の深い理解と、同時に虐待を防ぐ方法を必要とします」とビートクリステンは言います。 人工ゲノムを持つ最初の細菌がいつ得られるかはまだ明確ではありませんが、今ではそれが得られ、発達することは明らかです。 「科学者の間だけでなく、社会全体での集中的な議論のために、私たちが持っている時間を使う必要があります。 私たちは、私たちが持っているすべてのノウハウでこの議論に貢献する準備ができています。」