A biológiában 2010 jelentős fordulópont volt: Craig Venter amerikai genetikus és kutatócsoportja bejelentette, hogy sikerült létrehozniuk egy olyan baktériumsejtet, amelynek működését egy teljes egészében laboratóriumban, kémiai úton előállított genom irányítja. A kutatás mintegy 15 évnyi előkészítő munkára épült, és a program költségeit körülbelül 40 millió dollárra becsülték. Az eredményről a Science folyóirat számolt be, a világsajtó pedig hamarosan az első mesterséges életforma megszületéséről kezdett beszélni. De hogyan történt, és mi a jelentősége?
Először is a megfogalmazás tudományos szempontból pontosításra szorul: a kutatók nem élettelen vegyületekből építettek fel egy teljesen új élőlényt, hanem egy már létező baktériumsejt genetikai állományát cserélték ki egy mesterségesen szintetizált DNS-molekulára. A kísérlet jelentősége ettől nem kisebb, hiszen első alkalommal sikerült igazolni, hogy egy számítógépen megtervezett, majd kémiai módszerekkel előállított teljes bakteriális genom képes átvenni egy élő sejt működésének irányítását, és olyan sejtek létrejöttét biztosítani, amelyek ezt a mesterségesen előállított genetikai állományt örökítik tovább.
Az élet genetikai programja
Minden ismert sejtes élőlény működésének alapját a DNS-ben tárolt genetikai információ adja. A DNS négyféle nukleotidból felépülő hosszú molekula, amelynek bázissorrendje meghatározza a fehérjék előállításához és a sejtek működésének szabályozásához szükséges információ jelentős részét. A baktériumok többségében a genetikai állomány egy nagy, kör alakú DNS-molekulában helyezkedik el, amely több százezer vagy akár több millió bázispárból is állhat.
Ez a genetikai információ önmagában azonban nem élő rendszer. Egy DNS-molekula nem képes saját magától energiát előállítani, fehérjéket szintetizálni vagy szaporodni. Ehhez sejthártyára, riboszómákra, enzimekre, anyagcsere-folyamatokra és számos további molekuláris rendszerre van szükség. A DNS a sejt örökletes információjának hordozója, de az információ értelmezéséhez és végrehajtásához a sejt már működő biokémiai apparátusa szükséges.
A J. Craig Venter Institute kutatói pontosan ezt a különbséget használták ki. Nem próbálták meg a sejt valamennyi alkotórészét mesterségesen előállítani, hanem arra keresték a választ, hogy egy laboratóriumban létrehozott teljes genom képes-e működésbe lépni egy megfelelő baktériumsejt belsejében. Ha a folyamat sikeres, akkor a sejt genetikai működését már nem az eredeti DNS, hanem az ember által összeállított genetikai állomány határozza meg.
Több mint egymillió bázispár mesterséges előállítása
A kutatócsoport a Mycoplasma mycoides nevű baktérium genomját választotta kiindulási alapnak. Ez a mikroorganizmus a viszonylag egyszerű felépítésű baktériumok közé tartozik, genetikai állománya pedig körülbelül 1,08 millió bázispárból áll. Ez a méret a baktériumok világában nem számít különösen nagynak, de a teljes genom mesterséges előállítása a 2000-es évek technológiai lehetőségei mellett rendkívül összetett feladat volt.
A kutatók először meghatározták a kívánt DNS-szekvenciát, majd a genetikai információt számítógépes adatok alapján kisebb DNS-szakaszok formájában szintetizálták. Ezeket fokozatosan egyre nagyobb egységekké kapcsolták össze, végül pedig létrehozták a teljes bakteriális kromoszómát. Az összeállítás során az élesztősejteket is felhasználták, mivel azok sejten belüli DNS-javító és rekombinációs mechanizmusai alkalmasak nagyméretű DNS-molekulák egyesítésére.
A folyamatot jelentősen megnehezítette, hogy a DNS-szekvenciában előforduló hibák megakadályozhatták a genom megfelelő működését. Egyetlen hibás nukleotid is elegendő lehet ahhoz, hogy egy létfontosságú gén működésképtelenné váljon, ezért a kutatóknak folyamatosan ellenőrizniük kellett az összeállított szakaszok pontosságát. A kísérlet során valóban találkoztak olyan szekvenciahibával, amely meghiúsította a működő sejt létrehozását, és csak a hiba kijavítása után tudtak továbbhaladni.
A mesterséges genomot néhány tudatosan elhelyezett genetikai jelöléssel is ellátták. Ezek az úgynevezett vízjelek lehetővé tették, hogy a kutatók később egyértelműen azonosítsák a laboratóriumban előállított DNS-t, és megkülönböztessék a természetes baktériumgenomtól. A jelölések kódolt szövegeket is tartalmaztak, amelyek a kutatócsoport munkájára utaltak.
Amikor a mesterséges DNS átvette a sejt irányítását
A következő feladat az elkészült genom működésbe hozása volt. Ehhez a kutatók egy másik baktériumfajt, a Mycoplasma capricolumot használták befogadó sejtként. A két faj közeli rokonságban áll egymással, ami megkönnyítette a genom átültetését, de a siker így sem volt magától értetődő.
A mesterségesen szintetizált Mycoplasma mycoides genomot a befogadó sejtekbe juttatták, majd olyan körülményeket alakítottak ki, amelyek között az új genomot működtető sejtek kiválaszthatók voltak. A sikeres sejtekben a mesterséges DNS vette át a genetikai működés irányítását, és a sejtek a donor baktériumfajra jellemző tulajdonságokat mutatták.
Az így létrejött organizmust Mycoplasma mycoides JCVI-syn1.0 néven ismertették.
A baktériumok osztódni kezdtek, és utódaik továbbörökítették a laboratóriumban előállított genetikai állományt. A kutatók ellenőrizték, hogy az új sejtek valóban a szintetikus genomot hordozzák-e, és hogy a sejtek fehérje-összetétele, valamint egyéb vizsgált tulajdonságai megfelelnek-e a várt eredménynek. A kísérlet tehát nem egyszerűen azt igazolta, hogy egy nagyméretű mesterséges DNS-molekula bejuttatható egy sejtbe, hanem azt is, hogy a teljes genom képes működő, szaporodó sejtvonal genetikai alapjává válni.
Fontos különbség, hogy a befogadó sejt eredeti szerkezeti és biokémiai rendszerei természetes eredetűek voltak. A kutatók nem építettek fel mesterséges sejthártyát, riboszómákat vagy teljes anyagcsere-hálózatot az alapvető kémiai összetevőkből. A létrejött organizmus ezért pontosabban szintetikus genom által vezérelt sejtnek nevezhető, mint teljes egészében mesterségesen létrehozott életformának.
A következő cél: hány gén szükséges az élethez?
A 2010-es eredmény után a kutatók egy még alapvetőbb biológiai kérdés felé fordultak: mekkora az a legkisebb genetikai információmennyiség, amely elegendő egy önállóan szaporodó sejt működéséhez? A természetes élőlények genomja ugyanis nem kizárólag a fennmaradáshoz feltétlenül szükséges géneket tartalmazza. Számos gén bizonyos környezeti feltételek között előnyt jelent, mások speciális anyagcsere-folyamatokhoz, stresszválaszokhoz vagy alkalmazkodási mechanizmusokhoz szükségesek, és vannak olyanok is, amelyek elvesztése laboratóriumi körülmények között nem akadályozza meg a sejtek életben maradását.
A kutatócsoport ezért megpróbálta fokozatosan eltávolítani azokat a géneket, amelyeket nélkülözhetőnek tartott. Az első tervek azonban nem eredményeztek életképes sejteket, mert a gének működése nem független egymástól. Egy gén eltávolítása önmagában nem feltétlenül okoz problémát, de több, egymást részben helyettesítő gén egyidejű elvesztése már működésképtelenné teheti a sejtet. Ráadásul egyes gének nem feltétlenül szükségesek a puszta életben maradáshoz, de nélkülözhetetlenek ahhoz, hogy a sejt megfelelő sebességgel növekedjen és osztódjon.
2016-ban végül bemutatták a JCVI-syn3.0 nevű baktériumot, amelynek mesterségesen összeállított genomja mindössze 531 560 bázispárt és 473 gént tartalmazott. Ez az eredeti JCVI-syn1.0 genetikai állományának körülbelül a fele volt. A sejt megfelelő laboratóriumi tápoldatban képes volt növekedni és szaporodni, így a kutatók egy rendkívül egyszerű, önálló sejtes életet fenntartó rendszert hoztak létre.
Az eredmény egyik legfontosabb tanulsága az volt, hogy a minimális genom 473 génje közül 149-nek a pontos biológiai funkcióját akkor még nem ismerték. Vagyis a kutatók képesek voltak működő sejtet létrehozni úgy, hogy a fennmaradásához szükséges genetikai elemek jelentős részének szerepét még nem értették teljesen. A későbbi kutatások és a génfunkciók pontosabb meghatározása csökkentették ezt a bizonytalanságot, de a minimális sejtek vizsgálata továbbra is a sejtbiológia egyik fontos kutatási területe.
Meg lehet-e tervezni egy teljesen új élőlényt?
A szintetikus genom létrehozása és egy valóban új élőlény megtervezése között jelentős tudományos különbség van. A JCVI-syn1.0 genetikai állománya alapvetően egy természetben előforduló baktérium genomjára épült, amelyet a kutatók mesterségesen állítottak elő, és meghatározott helyeken módosítottak. A JCVI-syn3.0 esetében már jelentős genetikai egyszerűsítés történt, de ez a genom is egy korábban létező élőlény genetikai rendszeréből származott.
Egy teljesen új, természetes előzmény nélküli sejtes élőlény megtervezéséhez ennél sokkal többre lenne szükség. A kutatóknak nemcsak azt kellene meghatározniuk, hogy mely gének szükségesek az élethez, hanem azt is, hogyan hatnak egymásra az általuk előállított fehérjék, miként szabályozzák a sejten belüli kémiai reakciókat, hogyan tartják fenn a sejthártya működését, és milyen mechanizmusok biztosítják a genetikai információ pontos másolását.
A sejtek működését ugyanis nem lehet pusztán a gének listájából megérteni. Ugyanaz a gén különböző körülmények között eltérő aktivitást mutathat, egy fehérje működése más molekulák jelenlététől függhet, és a sejt anyagcseréje folyamatosan alkalmazkodik a környezethez. A genom ezért nem egy minden részletet előre meghatározó számítógépes program, hanem egy összetett biokémiai rendszer örökletes információs alapja.
A szintetikus biológia egyik hosszú távú célja olyan sejtek létrehozása, amelyek meghatározott feladatokat végeznek, például hasznos vegyületeket állítanak elő, környezeti szennyezőanyagokat alakítanak át, vagy különleges ipari alapanyagokat termelnek. A génmódosított mikroorganizmusokat már ma is használják többek között gyógyszerek, enzimek és különféle biotechnológiai termékek előállítására. A teljes genomok tervezése elvileg lehetőséget adhat arra, hogy a kutatók ne csupán egy-egy gént változtassanak meg, hanem egy mikroorganizmus genetikai rendszerét átfogóan alakítsák át.
Az ilyen alkalmazásoknál ugyanakkor alapvető kérdés a biológiai biztonság. Egy laboratóriumi körülmények között működő baktérium viselkedése természetes környezetben eltérhet a várttól, és a mesterségesen kialakított genetikai tulajdonságok stabilitását, valamint esetleges továbbadását is vizsgálni kell. A szintetikus genomok előállítása ezért nemcsak molekuláris biológiai és mérnöki, hanem szabályozási és etikai kérdéseket is felvet.
Mit mond mindez az élet eredetéről?
A kísérlet az élet keletkezésével kapcsolatos kutatások számára is fontos, bár közvetlenül nem magyarázza meg, hogyan jelentek meg az első élő rendszerek a Földön. Az élet eredetének vizsgálata során a kutatók olyan folyamatokat keresnek, amelyek révén egyszerű szerves molekulákból fokozatosan önfenntartó, információt tároló és szaporodásra képes kémiai rendszerek alakulhattak ki.
A Venter-féle kísérlet ezzel szemben már működő sejtes környezetet használt. A mesterséges genomot olyan biokémiai rendszerbe juttatták, amely rendelkezett az információ feldolgozásához szükséges molekuláris gépezettel. A kutatás tehát nem az élettelen anyagból történő életkeletkezést, vagyis az abiogenezist valósította meg, hanem azt bizonyította, hogy a sejtes élet genetikai információhordozója teljes egészében előállítható kémiai módszerekkel.
A két kutatási irány mégis összekapcsolódik. Ha sikerül pontosan meghatározni, milyen molekuláris rendszerek szükségesek egy minimális sejt működéséhez, az segíthet megérteni, hogy az élet korai fejlődése során milyen alapvető biokémiai mechanizmusoknak kellett kialakulniuk. A mai minimális baktériumok természetesen nem tekinthetők a legelső földi élőlények közvetlen modelljeinek, hiszen több milliárd évnyi evolúció eredményei, és még leegyszerűsített formájukban is rendkívül fejlett molekuláris rendszerekkel rendelkeznek.
Az élet megírásától az élet megértéséig
A 2010-es kísérlet tudományos jelentősége elsősorban abban áll, hogy a biológia a genetikai információ olvasásától és módosításától eljutott egy teljes bakteriális genom mesterséges előállításáig és működésbe hozásáig. A DNS-szekvenálás lehetővé tette az élőlények genetikai állományának feltérképezését, a géntechnológia egyes szakaszok megváltoztatását, a szintetikus genomika pedig már a teljes genetikai állomány összeállítását is megvalósította.
A kutatás ugyanakkor világosan megmutatta, mennyire összetett jelenség az élet. Egy baktérium genomjának mesterséges előállítása technológiailag megoldhatóvá vált, de még a néhány száz génnel rendelkező minimális sejtek működésének teljes megértése is komoly tudományos feladat. A sejt nem egyszerűen DNS-molekulák gyűjteménye, hanem folyamatos anyag- és energiaforgalmat fenntartó, egymással összekapcsolt molekuláris folyamatok rendszere.
Craig Venter és munkatársai tehát nem a semmiből teremtettek életet, hanem bebizonyították, hogy egy élő sejt teljes genetikai programja laboratóriumban is előállítható, majd működésbe hozható. Ez a különbség alapvető a kísérlet helyes értelmezéséhez, ugyanakkor az eredmény a modern biológia egyik jelentős technológiai mérföldköve marad. A kutatás új eszközöket adott annak vizsgálatához, hogy mi szükséges egy sejt működéséhez, és meddig alakíthatók át az élő rendszerek genetikai alapjai anélkül, hogy elveszítenék életképességüket.
A szintetikus biológia fejlődése így egyszerre két irányban halad: egyre nagyobb lehetőséget kínál az élő rendszerek tudatos átalakítására, miközben újabb kérdéseket tesz fel arról, hogy valójában mennyire értjük az élet molekuláris működését.
Tudományos források:
- Gibson és munkatársai (2010): Creation of a bacterial cell controlled by a chemically synthesized genome — Science.
- Hutchison és munkatársai (2016): Design and synthesis of a minimal bacterial genome — Science.
- J. Craig Venter Institute: First Self-Replicating Synthetic Bacterial Cell.
- J. Craig Venter Institute: First Minimal Synthetic Bacterial Cell.
