Məlumat

Əczaçılıqda metabolizə edən bakteriyalar onları sintez etmək üçün necə istifadə edilə bilər?

Əczaçılıqda metabolizə edən bakteriyalar onları sintez etmək üçün necə istifadə edilə bilər?


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Deyək ki, məndə əczaçılıq "P" var. Bir bakteriya ştammının fermentləri ilə iki molekula parçalana bilər, onlardan biri başqa bir bakteriya ştamı tərəfindən enzimatik olaraq daha da metabolizə edilə bilər. Nəticədə hər iki suş "P"-ni ən sadə metabolitlərə parçalaya bilər.

Eyni fermentlərdən istifadə edərək reaksiyanı geri qaytarmağa və iki bakteriyanın əsas qida maddələrindən "P" istehsal etməsinə ümid etmək olarmı və əgər belədirsə, şərtlər necə dəyişdirilməlidir? Və ya bəlkə ex vivo mümkün olardı?


Prinsipcə bəli, çünki demək olar ki, bütün reaksiyalar tarazlıqda mövcuddur və fermentlər katalizatordur (yani onlar əsasən müəyyən reaksiya üçün aktivləşmə enerjisinə təsir edir).

Ən yaxşı yanaşma sözügedən fermentləri (ehtimal ki, hətta orijinal növlərindən deyil, başqa bir transgen bakteriyadan) təmizləməkdir, çünki bu, ümumi sistemlərinizi iki fərqli orqanizmdən və onların bütün fermentlərini və metabolitlərini iki fermentdən ibarət çox spesifik dəstinə qədər azaldır. və bir ovuc metabolit.

Amma

  • Reaksiyanın təbii tarazlığı daha əsas metabolitlərə üstünlük verə bilər.
    "P" nəslini sürətləndirsəniz belə, ilk növbədə yalnız bir hissəsi çevrilsə, bu çox kömək etməyəcək. Bir çox bioloji sistemlər bu problemlə əlverişsiz addımları yüksək enerjili molekulların (ATP kimi) hidrolizi ilə birləşdirərək həll edir, lakin bununla müəyyən bir fermentlə əlaqə qurmaq çox çətin bir proses olardı.
  • Ferment(lər) "P" üçün həddindən artıq spesifik olmaya bilər.
    "Arzuolunmaz" məhsulları çıxaran və ya parçalayan bir çox ferment çoxlu oxşar molekullar üzərində hərəkət edə bilər. Bu hüceyrələr üçün məna kəsb edir, çünki bir fermentin bir çox "pis şeylərə" diqqət yetirməsi daha səmərəlidir. Bununla belə, bu, prosesi geri qaytarmağı çətinləşdirir, çünki reaksiyanız yalnız biri maraqlı olan bir çox məhsul verəcəkdir. Fermentin daha spesifik olması üçün optimallaşdırılması in vitro təkamüldən istifadə etməklə nisbətən sadədir.
  • "Əsas metabolitlər" dəqiq müəyyən edilmiş bir şey deyil.
    Bir çox əczaçılıq olduqca mürəkkəbdir və onları parçalayan fermentlər çox güman ki, onu iki hissəyə bölür. Bu parçaların fermentativ reaksiya üçün giriş kimi istifadə oluna bilən kimyəvi maddələrin əldə edilməsi əslində asan olub-olmaması fərqli bir sualdır. 'P'nin mürəkkəbliyindən asılı olaraq, əsaslı əsas molekullardan başlaya bilmək üçün kifayət qədər çox sayda fermentdən istifadə etməli ola bilərsiniz (bunların hamısı yuxarıda göstərilən problemlərə səbəb ola bilər).

Kükürd bakteriyası

Redaktorlarımız təqdim etdiyinizi nəzərdən keçirəcək və məqaləyə yenidən baxılıb-bağlanmayacağınıza qərar verəcək.

Kükürd bakteriyası, cəm Kükürd bakteriyalarıkükürdün və onun birləşmələrini metabolizə edə bilən və kükürd dövrəsində vacib olan müxtəlif mikroorqanizmlər qrupundan hər hansı biri (q.v.) təbiətdə. Bu bakteriyaların enerji mənbəyi kimi istifadə etdiyi ümumi kükürd maddələrindən bəziləri hidrogen sulfiddir (H2S), kükürd və tiosulfat (S2O3 2- ). Kükürdün oksidləşməsinin son məhsulu sulfatdır (SO4 2- ).

Thiobacillus, dənizdə və quruda geniş yayılmışdır, kükürdü oksidləşdirir, dərin torpaq yataqlarında bitkilər üçün faydalı olan sulfatlar istehsal edir, mədənlərdə metalları həll edən, eyni zamanda beton və poladı korroziyaya uğradan sulfat turşusu əmələ gətirir. Desulfovibrio desulficans sulu torpaqlarda və kanalizasiya sularında sulfatları hidrogen sulfidə, bu cür yerlərdə çox yayılmış çürük yumurta qoxusu olan qaza qədər azaldır. Thiothrix, kükürdlü bulaqlarda və kanalizasiya sularında geniş yayılmışdır və Sulfolobus, kükürdlə zəngin isti bulaqlarla məhdudlaşır, hidrogen sulfidini elementar kükürdə çevirir.

Chromatiaceae (bənövşəyi kükürd bakteriyası) və Chlorobiaceae (yaşıl kükürd bakteriyası) ailələrindəki bir çox növ kükürd və onun birləşmələrini sulfatlara çevirmək üçün oksigensiz mühitdə işıq enerjisindən istifadə edir.


Yaxşı bakteriyalar kemoterapinin yan təsirlərini azalda bilər

İnsan bağırsağında yaxşı bakteriyalar böyük qonşular yaradır.

Şimal-Qərb Universitetinin yeni araşdırması müəyyən etdi ki, bağırsaq bakteriyasının xüsusi növləri digər yaxşı bakteriyaları xərçəng müalicələrindən qoruya bilər və bağırsaq mikrobiomundaki zərərli, dərmana bağlı dəyişiklikləri azaldır. Kimyaterapiya dərmanlarını metabolizə edərək, qoruyucu bakteriyalar müalicənin qısa və uzunmüddətli yan təsirlərini yumşalda bilər.

Nəhayət, tədqiqat xərçəng xəstələrinin bağırsaq sağlamlığını yaxşılaşdırmağa kömək etmək üçün potensial olaraq yeni pəhriz əlavələri, probiyotiklər və ya mühəndis terapevtiklərinə səbəb ola bilər. Uşaqlarda kemoterapi ilə əlaqədar mikrobioma dəyişiklikləri sonrakı həyatda sağlamlıq fəsadları ilə əlaqəli olduğundan — piylənmə, astma və diabet də daxil olmaqla — bağırsaqları qorumaq üçün yeni strategiyaların kəşf edilməsi uşaq xərçəngi xəstələri üçün xüsusilə vacibdir.

Şimal-Qərbdən olan Erica Hartmann, araşdırmanın baş müəllifi, "biz, həqiqətən, çirklənmiş mühitləri təmizləmək üçün mikroblardan istifadə edən bioremediasiyadan ilhamlandıq" dedi. �ətən bioremediasiya qrunt sularına və ya torpağa aiddir, lakin burada biz onu bağırsaqlara tətbiq etdik. Biz bilirik ki, müəyyən bakteriyalar zəhərli xərçəng müalicəsini parçalaya bilər. Dərmanları parçalamaqla bu bakteriyaların ətrafdakı mikrobları qoruya biləcəyini düşündük. Tədqiqatımız cavabın “bəli” olduğunu göstərir. Əgər bəzi bakteriyalar toksinləri kifayət qədər tez parçalaya bilirsə, bu, mikrob icması üçün qoruyucu təsir göstərir.”.

Araşdırma mayın 26-da jurnalda dərc olunacaq mSphere.

Hartmann Northwestern's McCormick School of Engineering-də ətraf mühit biologiyası üzrə dosentdir. Hartmannın laboratoriyasında keçmiş postdoktorluq əməkdaşı Rayan Blausteyn məqalənin ilk müəllifidir. Hal-hazırda Milli Sağlamlıq İnstitutunda doktoranturadan sonrakı tədqiqatçıdır.

Xərçəngin müalicəsi həyati xilasedici olsa da, mədə-bağırsaq problemləri də daxil olmaqla, çox sərt və ağrılı yan təsirlərə səbəb olur. Xüsusilə kimyaterapiyalar insan bağırsağındakı sağlam, “yaxşı” bakteriyaları məhv edə bilər.

𠇌Kemoterapiya dərmanları xərçəng hüceyrələrini öldürmək və mikrobları öldürmək arasında fərq qoymur,” Hartmann bildirib. “MBağırsağınızdakı mikroblar qidanızı həzm etməyə və sizi sağlam saxlamağa kömək edir. Bu mikrobları öldürmək xüsusilə uşaqlar üçün zərərlidir, çünki həyatın erkən dövründə bağırsaq mikrobiomunun pozulmasının sonrakı həyatda potensial sağlamlıq vəziyyətlərinə səbəb ola biləcəyinə dair bəzi sübutlar var.”.

Şimal-Qərb Universiteti Feinberq Tibb Məktəbinin pediatriya və mikrobiologiya-immunologiya professoru Dr. Patrick Seed ilə işləyən Hartmannın laboratoriyası Raoultella planticola-dan öyrəndi. Təbii olaraq insan bağırsaqlarında az miqdarda olan Raoultella planticola, digər tədqiqatlarda nümayiş etdirilən kimyaterapiya dərmanı doksorubisini parçalaya bilir.

Bu parçalanma effektinin bütün mikrobiomu qoruyub saxlaya bilmədiyini yoxlamaq üçün komanda insan bağırsağında adətən tapılan müxtəlif növ bakteriyaların daxil olduğu sadələşdirilmiş mikrob icmaları hazırladı. Cmock bağırsaq icmalarına doksorubisini parçalamaqda yaxşı olan bakteriya ştammları (Escherichia coli və Klebsiella pneumoniae), ştammlar (Clostridium innocuum və Lactobacillus rhamnosus) xüsusilə də doxorubicterium və onererezistent olanlar daxildir. doksorubisinə təsir edir, lakin onu parçalamır.

Komanda daha sonra bu saxta bağırsaq icmalarını doksorubisinə məruz qoydu və həssas suşlar arasında sağ qalma qabiliyyətini artırdı. Tədqiqatçılar belə nəticəyə gəliblər ki, doksorubisini parçalamaqla bəzi bakteriyalar dərmanları bağırsağın qalan hissəsi üçün daha az zəhərli edir.

Tədqiqat xərçəng xəstələrini potensial olaraq qorumaq üçün perspektivli yeni yolu vurğulasa da, Hartmann xəbərdarlıq edir ki, yeni tapıntıların müalicəyə çevrilməsi hələ də uzaqdır.

& # X201CThere help xərçəng xəstələri & # x2014 xüsusilə uşaq xəstələr & # x2014 belə sərt yan təsirləri yaşamağa deyil böyük olacaq bir neçə mümkün applications var, & # dedi x201D. “Lakin biz bunu reallığa çevirməkdən hələ çox uzağıq.”


Yüksək dəyərli kimyəvi maddələr istehsal etmək üçün bakteriyaları effektiv şəkildə "açır"

ŞƏKİL: İnduktor əlavə edildikdə kimyəvi istehsalın daimi olaraq işə salındığını göstərən hesablanmış genetik keçidin sxemi (yuxarı solda). Bu keçid daha miqyaslı və davamlı istehsala imkan verə bilər. daha çox baxın

Kredit: Warwick Universiteti

- Yüksək qiymətli kimyəvi maddələrin əksəriyyəti hazırda qalıq yanacaqlardan istifadə etməklə istehsal olunur - sənaye kimyasının neftdən istifadəsi bütün istixana qazları emissiyalarının 14%-ni təşkil edir.
- Maraqlı alternativ, bioyanacaq, polimerlər və əczaçılıq kimi yüksək dəyərli kimyəvi maddələr istehsal etmək üçün onların kimyasını dəyişdirən genetik keçidlə bakteriyaları "hüceyrə fabrikləri" kimi mühəndis etməkdir.
- Onları işə salmaq üçün bahalı kimyəvi maddələrin istifadəsi onların kommersiya potensialını ciddi şəkildə məhdudlaşdırır, tədqiqatçılar istehsalı daimi olaraq aktivləşdirmək üçün ucuz təbii qidadan istifadə edə bilən yeni genetik keçid hazırlamaq üçün riyazi modellərdən istifadə ediblər - bu, bu dəyəri kəskin şəkildə azaldır.
- Bu, daha yaşıl, daha təmiz gələcək üçün ucuz xammaldan yüksək qiymətli kimyəvi maddələrin davamlı və iqtisadi cəhətdən səmərəli sənaye miqyasında istehsalının reallaşdırılmasını yaxınlaşdırır.

Bioyanacaqda və əczaçılıqda istifadə edilən yüksək qiymətli kimyəvi maddələr, yeni məhsullar istehsal etmək üçün onların kimyasını dəyişdirərək bakteriyalardan hazırlana bilər. Uorvik Universitetinin tədqiqatçıları bu açarları işə salmağın xərclərini kəskin şəkildə azaltmağın yolunu tapıblar.

Biz qida konservantlarından tutmuş əczaçılıq və kosmetika, hətta bioyanacaq kimi demək olar ki, hər şey üçün kimyəvi maddələrdən istifadə edirik. Bunların çoxu neft-kimya törəmələridir və buna görə də onların sintezi davamlı deyil. Buna görə də kimyəvi maddələrin sənaye miqyasında, davamlı və ucuz istehsalının alternativ yollarını axtarmaq vacibdir - daha yaşıl təmiz gələcəyə yol açır.

Bakteriyaları təbiətin mikro-kimyəvi fabrikləri kimi görmək olar və bir çox tədqiqatçılar onların mürəkkəb kimyəvi reaksiyalar şəbəkəsinin qlükoza kimi ucuz xammalı bizim istifadəmiz üçün faydalı kimyəvi məhsullara çevirmək üçün necə yenidən birləşdirilə biləcəyini anlamağa çalışırlar. Bakteriyaların kimyasını yönləndirmək üçün genetik açarlardan istifadə Sintetik Biologiya sahəsində maraqlı bir inkişafdır.

Tipik olaraq, genetik açarlar induksiya adlanan kimyəvi maddə əlavə edilərək işə salınır. Bununla belə, induktorlar bahadır və siz buraxdığınız zaman geri sönən "içində yayı olan işıq açarı"na bənzəyən sönmənin qarşısını almaq üçün tez-tez daim əlavə edilməlidir. Bu, bu keçid yanaşmasını baha edir və sənaye istehsalına qədər genişləndirilməsi iqtisadi cəhətdən mümkünsüz edir.

Jurnalda dərc olunan "Mikrob kimyəvi istehsalının miqyaslı induksiyası üçün geri dönməz metabolik keçidin dizaynı" məqaləsində Təbiət Əlaqələri, Warwick Universitetinin Mühəndislik Məktəbinin tədqiqatçıları bakteriyaları kimyəvi istehsal rejiminə keçirməyin ucuz yolunu tapıblar.

Mühəndislik Məktəbində Warwick-in İnteqrativ Sintetik Biologiya Mərkəzindən Dr Əhməd A. Mannan və professor Declan G. Batesin rəhbərlik etdiyi yeni nəzəri araşdırma, olein turşusu kimi ucuz təbii qida maddələrinə cavab verən E. coli biosensorlarının açarları yaratmaq üçün necə istifadə oluna biləcəyini araşdırdı. . Uçuş idarəetmə sistemlərində tez-tez istifadə olunan geribildirim idarəetmə dövrələrinin riyazi modellərindən və mühəndislik prinsiplərindən istifadə edərək, bakteriyalarda geri dönən "yayı" aradan qaldıran bir genetik keçidin necə dizayn ediləcəyini kəşf etdilər ki, ucuz təbii qida elementinin yalnız bir nəbzini əlavə etməklə keçid edə bilsinlər. hüceyrəni daimi olaraq kimyəvi istehsal rejiminə keçir - xərcləri kəskin şəkildə azaldır.

Mühəndislik Məktəbində Uorvikin İnteqrativ Sintetik Biologiya Mərkəzindən Dr. Əhməd Mannan şərh edir: "Bakteriyaları daimi olaraq kimyəvi istehsal rejiminə keçirmək bacarığı mikroblardan kimyəvi istehsalın iqtisadi cəhətdən səmərəli miqyasını həyata keçirmək üçün irəliyə doğru böyük bir addımdır. bir çox sənaye əhəmiyyətli mikroblara və demək olar ki, hər hansı bir kimyəvi maddənin sintezi üçün geniş şəkildə tətbiq oluna bilər - Sintetik Biologiya alətlər qutusunun çox yönlü komponenti. Tədqiqatımızın növbəti addımları kimyəvi yol xəritəsində bu "trafik"in harada tətbiq ediləcəyini anlamaq üçün prinsipləri açmaq olacaq. yüngül" və bəlkə də mövcud fermentasiya proseslərinə asanlıqla daxil edilə biləcəyi sənaye ilə əməkdaşlıq etməyə çalışın."

Mühəndislik Məktəbinin Uorvikin İnteqrativ Sintetik Biologiya Mərkəzindən professor Declan Bates əlavə edir: "Ən müasir sintetik biologiya üsullarından istifadə etməklə, işimiz laboratoriyada təklif olunan geri dönməz keçidin qurulması üçün çərçivə yaratdı. Nəinki işimiz yolu dəyişdirə bilmədi. kimya sənayeləri yüksək qiymətli kimyəvi maddələr istehsal edir, bu, həm də insanların bərpa olunmayan mənbələrdən asılılıqdan necə uzaqlaşa biləcəyi, daha yaşıl, daha təmiz gələcək üçün biokimyəvi maddələrin davamlı sintezini təmin etmək üçün daha geniş vizyona kömək edir."

İmtina: AAAS və EurekAlert! EurekAlert-ə göndərilən xəbərlərin düzgünlüyünə görə məsuliyyət daşımır! töhfə verən qurumlar tərəfindən və ya EurekAlert sistemi vasitəsilə hər hansı məlumatın istifadəsi üçün.


Alimlər kosmosda həyat dəstəyi üçün sintetik biologiya və 3-D çapa müraciət edirlər

NASA insanları Aya və ya hətta Marsa geri göndərməyə hazırlaşarkən, onlar bu insanları necə sağlam və təhlükəsiz, zəngin resursla zəngin Yer kürəsindən uzaq tutacaqlarını anlamalı olacaqlar.

Missiya zamanı ehtiyac duyduqları hər şeyi toplamaq mümkün olmayacaq və Beynəlxalq Kosmik Stansiyanı (BKS) ehtiyatda saxlayanlar kimi təkrar təchizat missiyaları olduqca bahalı və uzun olacaq.

Bu astronavtların yığa biləcəyi şey Yerin unikal bərpa olunan resursudur: hüceyrələr. Məsələn, göbələklərin və bakteriyaların hüceyrələri bioplastiklər kimi spesifik materiallar istehsal etmək üçün sintetik DNT ilə yenidən proqramlaşdırıla bilər. Bu materiallar daha sonra astronavtların kosmos uçuşu zamanı ehtiyac duya biləcəkləri əşyalar - avadanlıq və tibbi cihazlardan tutmuş dərman və qidaya qədər hər şeyi istehsal etmək üçün 3-D printerlərə verilə bilər.

İnternetdə dərc olunan rəy yazısında Biotexnologiyada meyllər, Universitetlər Kosmik Tədqiqatlar Assosiasiyası (USRA), MIT Linkoln Laboratoriyası və NASA-dan olan tədqiqatçılar sintetik biologiya və 3-D çapın dərin kosmosda insan missiyaları zamanı həyatı dəstəkləyə biləcəyi yolları təsvir edir. Lakin bu fikirləri reallaşdırmaq üçün NASA kömək axtarır.

Linkoln Laboratoriyasının Biomühəndislik Sistemləri və Texnologiyaları Qrupunda işləyən Peter Carr deyir: "Bizim rəyimiz, DIY [özünüzü düzəldin] biologiya və istehsalçılar kosmos icmalarını cəlb etmək üçün fəaliyyətə çağırışdır". DIY biologiya icması ictimaiyyətdə maraqlı olan hər kəsə bioloji mühəndislik aparmağı mümkün edir. İcma ənənəvi akademik və ya sənaye parametrlərindən kənarda fəaliyyət göstərir və bilikləri açıq mənbə vasitəsilə yayır. Bir çox DIY bioloq qrupları, üzvlərin təkbaşına təcrübələr etmələri üçün avadanlıq və ləvazimatlarla təmin edən istehsalçı yerləri fəaliyyət göstərir.

"Bu ayrı-ayrı, eklektik icmalar hər zaman qeyri-ənənəvi şəraitdə bioloji fəaliyyət göstərir və sürətli prototipləşdirmə və məhdud resurslarla texnologiyaları inkişaf etdirməkdə qabaqcıldır. Burada kosmos və NASA ekipajlarının ehtiyacları ilə paralellər var" dedi Karr. "Ancaq bu, həm də bizim təşkilatlar və NASA kimi təşkilatların ikitərəfli prosesdə onlarla daha dərindən əlaqə saxlamasını tələb edir, ona görə də insanların işini kosmosa çatdırmaq üçün real yol var. Biz yeni başlayırıq."

3-D printerlər makerspaces üçün ümumi əsasdır. ISS-də 3-D printerlərlə aparılan təcrübələr onların əvəzedici avadanlıq kimi tələb olunan əşyaların istehsalı üçün faydalı olduğunu sübut etdi. Ancaq 3-D çap kosmosda uzunmüddətli missiyalar üçün etibarlı bir vasitə olacaqsa, yeni bir problem ortaya çıxır: gəmini printerlər üçün xammal ilə təmin etmək ehtiyacı.

Bu ehtiyacı ödəmək üçün müəlliflər sintetik biologiyadan istifadə edərək missiya zamanı lazım ola biləcək hər şeyi 3 ölçülü çap üçün xüsusi bioloji "mürəkkəb" istehsal etməyi nəzərdə tuturlar. NASA Akademik Missiya Xidmətləri üçün sintetik biologiya tapşırığına rəhbərlik edən USRA tədqiqatçısı Jessica Snyder deyir ki, belə bir proses elm adamlarına "naməlum üçün dizayn etmək üçün muxtariyyət" verəcəkdir.

Canlı orqanizmlər günəş işığını, azotu və suyu hazır məhsula çevirə bilirlər. Biomühəndislər hədəf birləşmələri istehsal etmək üçün bu orqanizmlərin hüceyrələrinin daxili məntiqini yenidən proqramlaşdıra bilərlər. Bu hüceyrələri redaktə etmək üçün tikinti blokları rəqəmsallaşdırıla və kosmos qrupuna bir DNT ardıcıllığı şəklində göndərilə bilər, bu da sintez edilə, yığıla və gəmidəki bir orqanizmə daxil edilə bilər. Linkoln Laboratoriyasında biomühəndis David Walsh deyir: "İdeya bizim "bitləri biologiyaya çevirən" dediyimiz şeydir.

Bu vizyonun necə həyata keçirilə biləcəyinə dair bir nümunə: Deyin ki, astronavtlar 2007-ci ildə BKS-də baş vermiş bir vəziyyətlə üzləşdilər – günəş paneli cırılıb və təmir kəmərinə ehtiyacı var. Yer üzündə sintetik bioloqlar, DIY tipli və ya olmasın, bakteriyalara 3 ölçülü çap üçün polimer xammalı istehsal etməyi tapşıran genetik proqramlar hazırlayır və sınaqdan keçirirlər. (Bu iş həm də kosmos missiyası zamanı ehtiyac yaranmazdan xeyli əvvəl həyata keçirilə bilər.) İstehsalçılar icması həmin materiallardan qayış dizaynını hazırlayır. Bu genetik təlimatlar və 3-D çap təlimatları rəqəmsal olaraq Yerdən kosmik heyətə göndərilir. Ekipaj genetik proqramı, bakteriyalar isə qayışı 3 ölçülü çap etmək üçün istifadə olunan xammalı çoxaldır və sintez edir. Məhsulun həyat dövrünün sonunda hissə bərpa olunur və həzm olunur və yenisi hazırlana bilər.

"Bizim rəqəmsal məlumatın gücü var. Biz Yerdəki bütün əyrilikləri layihələndirə və işləyə bilərik və sadəcə olaraq təlimatları kosmosa göndərə bilərik", - Uolş deyir.

Eyni prinsiplərdən qida və ya əczaçılıq üçün hədəf birləşmələr hazırlamaq üçün kosmosdakı orqanizmlərə DNT daxil etmək üçün istifadə oluna bilər ki, bu birləşmələr birbaşa Yerdən gətirilərsə, zamanla kosmosda radiasiyadan parçalanar.

Astronavtlar bu mürəkkəb bioloji təcrübələri 3-D çaplı mikro-maye cihazlarından istifadə edərək həyata keçirə biləcəklər. Bu kiçik “lab-on-a-chip” cihazları mikrokanallar vasitəsilə mayelərin axını və qarışığını avtomatik idarə edir və yüzlərlə bioreaksiyanı paralel olaraq saniyələr ərzində həyata keçirmək üçün yalnız az miqdarda kimyəvi maddələrdən istifadə edir. Genetik təlimatlar birbaşa olaraq bu mikrofluidik cihazları idarə edən elektronikaya göndəriləcək ki, bu da onlara DNT molekullarını sintez etmək üçün rəqəmsal “reseptə” dəqiq əməl etməyə imkan verəcək.

Bu ilin əvvəlində rəy yazısının həmmüəllifi olan NASA Ames Araşdırma Mərkəzinin alimi Lin Rotşild kosmosda ilk sintetik biologiya təcrübələrini aparan komandaya rəhbərlik edib. Təcrübələrin məqsədi kosmosdakı bakteriyaların onların genomuna daxil edilmiş sintetik DNT-ni nə qədər yaxşı qəbul etdiyini və bakteriyaların zülalları nə qədər yaxşı istehsal etdiyini, eyni zamanda mikroqravitasiyanı (ISS-də astronavtların qarşılaşdıqları), Ayın cazibəsini və Marsdakı cazibə səviyyələrini simulyasiya etmək üçün fırlanmaq idi. Təcrübələr Alman peyk missiyası Eu:CROPIS (Euglena və Kosmosda Kosmosda Kombinə Regenerativ Üzvi Qida İstehsalı) olan PowerCell faydalı yükü üzərində aparılıb.

Bununla belə, həm sintetik biologiya ilə təcrübə aparmaqda, həm də kosmosda biomateriallarla 3 ölçülü çapı mümkün edən bütün parametrləri müəyyən etmək üçün hələ çox uzun bir yol var. "Məsələn, bakteriyalar suya ehtiyac duyacaq və yaşamaq üçün uyğun mühitə ehtiyac duyduqları yer tutacaq və onlar tullantılar çıxaracaqlar. Biz hələ də bu fikirləri real dünya məhdudiyyətlərinə qarşı qoymalıyıq" dedi Karr.

Amma indi konseptlərin işlənib hazırlanmasında aktuallıq var. Sintetik biologiya və 3-D çap üsulları Yerə yaxın missiyalar üçün vaxtında sübut oluna və tətbiq oluna bilsə və oradan təchizat hələ də nisbətən tez göndərilə bilərsə, onda Marsa uzunmüddətli missiya üçün ümid etmək olar.

"Çevik istehsal texnikaları Beynəlxalq Kosmik Stansiya və mümkün Ay infrastrukturu kimi bir neçə gün uzaqda yerləşən istiqamətlər üçün Yer əsaslı təchizat zəncirlərini mükəmməl şəkildə tamamlayır. Gəlin bizi daha da irəli aparmaq üçün kosmosda istehsal gücü yaratmaq üçün bu ehtiyatdan istifadə edək. kosmosa daha təhlükəsiz uçmaq,” Snayder deyir. Öz əlləri ilə işləyən bioloqlar və istehsalçılar bu gün 3-D çap məhsulları, mikrofluidik cihazlar və ya sintetik DNT üçün dizaynlarını açıq mənbəli anbarlarda dərc etməklə və nəşr edilmiş dizaynları sınaqdan keçirmək və redaktə etməklə kömək edə bilərlər. "Əgər DIY bio icmaları bir texnikadan istifadə edərsə, təkrar-təkmilləşdirər və nəticədə təsdiq edərsə, o zaman bu texnika əksər fərdlərin və ya komandanın böyük səy göstərmədən təklif edə biləcəyindən daha güclü şəkildə optimallaşdırılmışdır. Bu icmalarla tərəfdaşlıq əvəzolunmaz bir sərvətdir" Snyder əlavə edir. Maraqlanan insanlar NASA-nın həll etmək üçün ictimaiyyətdən kömək istədiyi problemləri əks etdirən NASA-nın Centennial Challenges-ə də baxa bilərlər.

"Gənclik illərində NASA-dan ilham alan və hazırda orada işləyən mühəndis haqqında tez-tez eşidirik. Bəs bu möhtəşəm ideyalardan ilham alan bioinsanlar haqqında nə demək olar? Onlar necə töhfə verə bilərlər? İndi öz ideyalarını kosmosa köçürmək şansıdır, "Carr deyir. "Yenilik etmək üçün çoxlu imkanlar var."


Mənim növbəti ən yaxşı versiyam: Necə əbədi yaşamaq olar

Bu məqaləni yenidən nəzərdən keçirmək üçün Profilimə daxil olun, sonra Saxlanmış hekayələrə baxın.

Bu məqaləni yenidən nəzərdən keçirmək üçün Profilimə daxil olun, sonra Saxlanmış hekayələrə baxın.

George Kilsəsi əksər insanların üzərində qüllələr. O, Orta Yerdən olan bir sehrbazın uzun, boz saqqalına malikdir və onun həyatının işi - DNT-ni ovlamaq və təhrik etmək və həyatın sirlərini araşdırmaq - dərin sehrin real olduğu dünyadan o qədər də uzaq deyil. 63 yaşlı genetikçi dünyanın ən böyük və ən yaxşı maliyyələşdirilən akademik biologiya laboratoriyalarından birinə başçılıq edir, qərargahı Harvard Tibb Məktəbində nəhəng şüşə və polad Yeni Araşdırma Binasının ikinci mərtəbəsində yerləşir. O, həmçinin biorobotikadan tutmuş yunlu mamontu geri gətirməyə qədər hər şeyin xarici kənarını itələmək missiyasını paylaşan onlarla layihə, konsorsium, konfrans, spinouts və startaplara məsləhətçi və ya dəstəkçi kimi adını verir. Keçən yay buxarlı bir avqust səhərində o, mənimlə xarici kənarı haqqında danışmaq istəyir mənim həyat.

Church dünyanın müxtəlif yerlərində müxtəlif orqanizmlərin DNT-sini sintez etmək üçün çalışan yüzlərlə alimin səylərini təşkil edən Genom Layihəsi-Yaz və ya GP-Yaz adlı təşəbbüsün liderlərindən biridir. Qrup hələ də insan DNT-sinin sintezində nə qədər irəliləyəcəyini müzakirə edir, lakin Church - ofisində əyilmiş idman paltosunda, iş masası kimi istifadə etdiyi nazik kürsü arxasında dayanaraq - laboratoriyasının artıq bu mövzuda öz qərarını verdiyini söyləyir: "Biz yaxın bir neçə il ərzində insan genomunda olan bütün genlərin dəyişdirilmiş versiyalarını sintez etmək istəyirik."

Onun planı insan DNT-sinin uzun zəncirlərini layihələndirmək və qurmaqdır, yalnız xırda düzəlişləri kəsib yapışdırmaqla deyil, elm adamlarına DNT-ni ucuz və asanlıqla redaktə etməyə imkan verən Crispr kimi son texnologiyalar sayəsində - indi adi bir təcrübədir, lakin xromosomların kritik uzantılarını yenidən yazmaqla. daha sonra təbii olaraq meydana gələn bir genomla birlikdə tikilə bilər. Əgər müvəffəq olsalar, bu, elm adamlarının indiyə qədər sintez etmək üçün çalışdıqları bakteriya və maya genomlarından ambisiya və mürəkkəblik baxımından nəfəs kəsən bir sıçrayış olacaq. "Etməyi planlaşdırdığımız şey Crisprdən çox uzaqdır" dedi Church. "Kitabı redaktə etmək və yazmaq arasındakı fərq budur."

Kitabı yazarkən Church, insan hekayəsini öz iradəsinə uyğunlaşdırmağa ümid edir. Seçilmiş nukleotidləri - həyatın bütün xromosomlara səpələnmiş ACGT-lərini əvəz etməklə və yenidən kodlaşdırma deyilən prosesdə, məsələn, T-ni A-ya və ya C-ni G-yə dəyişdirərək, kilsə hüceyrələri viruslara qarşı davamlı edə biləcəyini nəzərdə tutur. "HİV və hepatit B kimi" deyir.

"Bəs soyuqdəymə?" Mən soruşuram.

Bəli başını yelləyərək əlavə etdi ki, onlar artıq bakteriyaları virusa davamlı olmaq üçün yenidən kodlayıblar. "Bu, 2016-cı ildə dərc etdiyimiz bir məqalədə var" deyir.

Church və insan DNT-sini sintez etmək üçün çalışan digərləri GP-Write-İnsan Genom Layihəsi-Yaz və ya HGP-Yaz - daxilində öz səylərini yaratdılar və onun uğur perspektivləri bioloqları xəstəliklərin müalicəsi və biomühəndislik yaratmaq potensialı ilə maraqlandırdı. hüceyrələr və bəlkə də orqanlar. Tənqidçilər texniki çətinliklər, yüksək xərclər və praktiklik üzərində başlarını cızırlar. Milli Sağlamlıq İnstitutunun direktoru Frensis Kollinz tam insan genomunun sintezinin mümkün olduğunu etiraf edir, lakin o, bu nöqtəni tam görmür. "Düşünürəm ki, bu, kifayət qədər vaxt və pul nəzərə alınmaqla, yəqin ki, imkan daxilindədir" deyir, "amma niyə bunu etmək istəyirsən? Crispr kimi texnologiyalar hazırda daha əlçatandır”.

Həyatın əsas kodlaşdırması ilə məşğul olmaq üçün güclü yeni texnologiyadan istifadə etikası da var. Nəzəri olaraq, elm adamları bir gün, demək olar ki, kompüterdə kod yazmaq, kiminsə noutbukunda rəqəmsal DNT-ni canlı hüceyrələrə çevirmək qədər asanlıqla insan və ya başqa genomlar istehsal edə bilər, məsələn: Homo sapiens. Mübahisələri nəzərə alan Church və onun HGP-Write həmkarları təkid edirlər ki, insanları zərb etmək onların məqsədləri deyil, baxmayaraq ki, insan DNT-sində genom miqyaslı dəyişikliklər etmək cəsarətliliyi mübahisəyə səbəb olmaq üçün kifayətdir. Stenford bioetikası və hüquqşünası Henri Qrili deyir: “İnsanlar yediyiniz bir şeyə başqa bir növdən olan bir gen qoyursanız, əsəbiləşirlər”. “İndi biz həyatın hərtərəfli yenidən yazılmasından danışırıq? Tüklər dik duracaq. Hackles qaldırılacaq."

Qaldırılmış həcklər və ya olmasın, Church və onun komandası irəliləyir. O, insanın 23 xromosomunun ən az geninə malik olduğunu və buna görə də qurulmasının daha asan olduğunu izah etdiyi kişi cinsi xromosomuna istinad edərək, "Biz insan Y ilə başlamaq istəyirik" deyir. O, heç bir Y xromosomunu sintez etmək istəmir. O və komandası həqiqi bir insanın genomundan Y xromosom ardıcıllığından istifadə etmək istəyir: mənim.

"Bunu eliyə bilərsiniz?" kəkələyirəm.

"Əlbəttə, biz edə bilərik - sizin icazənizlə" deyir və mənə xatırladır ki, mənim genomuma daxil olmaq asan olacaq, çünki o, 2005-ci ildə Fərdi Genom Layihəsi adlanan bir səyin bir hissəsi olaraq laboratoriyasının kompüterlərində rəqəmsal olaraq saxlanılmışdı. . (Açıqlama: Mən on ildən artıqdır ki, kilsə haqqında məlumat vermişəm və o, Arc Fusion adlı kiçik konfranslar seriyasında 17 ödənişsiz məsləhətçidən biri kimi xidmət edir.) PGP minlərlə insanı öz genomlarını tam genomlarına töhfə vermək üçün cəlb edib. ictimai verilənlər bazası tədqiqatçılara və hər kəsə açıq idi və mən genomumu bu səylərə bağışladım.

"Bir daha demək istəyirəm ki, biz insan körpələri yaratmırıq" dedi Endryu Hessel. "Bu iş başqa nəsil üçün gələcək."

Mənim icazəm və onun klaviaturasına bir neçə kliklə, Church asanlıqla Y xromosomumun rəqəmsal planını çəkə bilər. Sonra onun laboratoriyasındakı elm adamları sintetik nüsxə yarada bildilər, ancaq bir fərqlə: Onlar mənim ardıcıllığımı viruslara davamlı olmaq üçün yenidən kodlayacaqlar. Əgər onlar müvəffəqiyyətli olsalar - və mənim qalan xromosomlarımı yenidən kodlayıb insan hüceyrəsinə daxil etsələr, hər ikisi böyük əgər— onlar nəzəri olaraq bu “düzəliş edilmiş” hüceyrələri bədənimin içərisinə yerləşdirə bilərdilər, orada çoxalacaqlar, bədənimin işini dəyişdirəcəklər və virus infeksiyası riskimi azaldacaqlar.

Amma biz özümüzdən irəli gedirik. Hələlik, Church sadəcə mənim Y xromosomumu yenidən kodlaşdırmaq və sintez etmək istəyir. "Bir az sizdən olacaq," o mənə deyir, "bitirdikdən sonra dondurucuda saxlayacağıq." Mənim optimallaşdırılmış versiyam, bir gün on, yüz və ya min ildən sonra əridilə bilər. Kilsənin sözlərinə görə, o vaxta qədər alimlər mənim genomumu daha da manipulyasiya edə bilərlər. Onlar məni daha güclü və ya daha sürətli və ya bəlkə də daha ağıllı edə bilər. Onlar mənim tamamilə yeni versiyamı yarada bilərlər. Gələcəkdə nəyin mümkün olacağını kim bilir?

Stenford biokimyaçısı Pol Berqin başçılıq etdiyi komanda bir orqanizmdən qısa DNT sekanslarının kəsilməsi və yapışdırılması ilə bağlı əsas kəşflər etdiyi zaman həyatın əsas tikinti bloklarını anlamaq və yenidən dizayn etməyə həsr olunmuş sintetik biologiya sahəsinin kökləri 1970-ci illərin əvvəllərində dayanır. bakteriyadan insanlara qədər hər şey) digərinə (adətən bir bakteriya). Bu təcrübə elm adamlarına bəzi hallarda anemiya və ya dializdə olanlar üçün qırmızı qan hüceyrələrinin istehsalını artırmaq üçün istifadə olunan Epogen kimi blokbaster dərmanlara çevrilən zülalları çıxarmaq üçün mikrob hüceyrə mexanizmindən istifadə etməyə imkan verdi - və ya Turda. de France.

Daha geniş miqyaslı sintetik biologiya 2000-ci illərin əvvəllərində, elm adamları tam virusları sintez etməyə başlayanda özünü almağa başladı. 2010-cu ildə J. Craig Venter İnstitutunun komandası ilk sintetik, özünü çoxaldan bakteriya hüceyrəsini yaratdı. Ancaq indiyə qədər heç bir şey adlarını orijinal İnsan Genomu Layihəsindən alan GP-Write və ya HGP-Write-in ambisiyalarına yaxınlaşa bilməyib. ABŞ vergi ödəyicilərinə. (Genetik Kreyq Venterin başçılıq etdiyi ikinci şəxsi səy xeyli az pula başa çatdırıldı.) GP-Write-ın qurucularından biri olan genetik Endryu Hessel deyir ki, “Biz HGP-Write-a İnsan Genomu Layihəsinə kitab kimi baxırıq”. və HGP-Write və proqram nəhəngi Autodesk-in həyat elmi bölməsinin keçmiş tədqiqatçısı.

Qısa, tikanlı saqqallı, arıq 54 yaşlı Hessel mənə üç il əvvəl Kaliforniyanın Sonoma qraflığında, Rus çayı yaxınlığındakı kiçik, əyləncəli kottecində ona baş çəkdiyim zaman bu yeni insan genomu layihəsi haqqında ilk dəfə danışdı. Dumanlı bir gecədə odun sobasının ətrafında qırmızı şərab yudumlayan Hessel 1990-cı illərin sonlarında Amgendə Venterin şəxsi insan genomu səyindən əldə edilən məlumatları təhlil edərək karyerasına necə başladığından danışdı. “HGP-Read-ı bitirərkən belə,” o, öz və həmkarlarının orijinal İnsan Genomu Layihəsi üçün stenoqramından istifadə edərək deyir: “Mən bir şey yaratmağa necə başlaya biləcəyimizi görmək üçün səbirsizlənirdim. Sonra gözlədim, gözlədim, amma heç nə olmadı. Bu, təsəvvürün uğursuzluğu idi. Texnologiya müəyyən bir nöqtəyə çatmışdı, amma heç kim onun üzərində hərəkət etmirdi”. O, Crispr və digər gen redaktə üsullarının ortaya çıxmasını izlədi, lakin onlar onu qane etmədi.

2015-ci ildə Hessel “yazma” layihəsinə daha ciddi yanaşdı və Churchdən GP-Write (və HGP-Write) olan səylərə rəhbərlik etməsini istədi. Church, başqa bir görkəmli sintetik bioloq, Nyu-York Universitetinin Jef Boekeni həmsədr olaraq işə götürmələrini israr etdi. Qrupun məqsədləri daha sürətli və daha ucuz texnologiyaların inkişafını asanlaşdırmaqdan tutmuş, həyatın sintezi üçün etik çərçivənin yaradılmasına qədərdir. Onlar həmçinin Frensis Kollinz və başqalarının insan genomlarının sintezi ilə bağlı verdiyi suala hazır cavaba malikdirlər - bunu niyə edirlər? Hessel, Church və şirkət viruslara davamlı hüceyrələr, sintetik orqanlar və yeni dərmanlar hazırlamaq üçün istifadə oluna biləcək geniş, genom miqyaslı dəyişikliklərin potensialından danışırlar. Bununla belə, uşaqlarımıza ötürülən genləri dəyişdirə biləcək germ xətti hüceyrələrində sintetik genomu aktivləşdirmək perspektivi ilə xətt çəkirlər. "Biz insan körpələri yaratmırıq, biz sadəcə genomlar yazırıq" Hessel təkid edir. "Sintetik körpə yaratmaq üçün əsl iş başqa bir nəsil üçün gələcək."

Keçən ilin may ayında GP-Write Nyu York Genom Mərkəzində ilk ictimai toplantısını keçirdi. İki gün davam edən toplantıda Çin, Yaponiya, İngiltərə, Kanada, Sinqapur və ABŞ da daxil olmaqla 10 ölkədən 250 elm adamı, əxlaqşünas, hüquqşünas, pedaqoq, vətəndaş alimləri, rəssamlar, siyasətçilər və şirkətlər iştirak edib. O, “Sintetik gen ardıcıllığını genişləndirmək üçün izotermik gücləndirmə massivi” və “İdarəetmə sistemlərini gözləmək və başa düşmək” kimi sessiyaları təqdim etdi.

With large-scale recoding, you have to wonder whether new and improved genomes would make us someone different altogether.

The conference featured presentations about pilot projects that the organization was considering or endorsing. For instance, Columbia University’s Harris Wang wants to bioengineer mammalian cells that can become nutrient factories churning out the critical amino acids and vitamins we otherwise have to consume through food. Another project, presented by June Medford of Colorado State University, aims to reengineer the genomes of plants so they can filter water or detect chemicals. At the meeting, she showed a slide of an airport gate encircled by explosive-detecting shrubbery.

The GP-Write movement had its latest big breakthrough last year, when Boeke’s lab at NYU announced it had fully synthesized six of the 16 chromosomes that make up the genome of baker’s yeast. Boeke plans to finish all 16 chromosomes by the end of this year. “We’re setting out to untangle, streamline, and reorganize yeast’s genetic blueprint,” he says. “Once we’ve synthesized all 16 chromosomes, we plan to create a functioning yeast cell.”

That will be a remarkable accomplishment, but given that yeast has only about one-­quarter as many genes as people do, it’s still not anything close to the complexity of synthesizing all or even part of a human genome. The longest of the 16 synthesized chromosomes in Boeke’s yeast genome will measure around 1 million base pairs—base pairs being the doubling-­­up of genetic letters into pairs that run along each strand of DNA’s double helix, like steps in a ladder. The Y chromosome comes in at 59 million base pairs, and that’s among the shortest of a human’s 23 chromo­somes. Some scientists have estimated that writing an entire human genome, all 3 billion base pairs, could cost upwards of $3 billion, which is not only prohibitively expensive but probably unnecessary. “We don’t need to rewrite everything” to make serious changes to the chromosome, Church explains. “Just those parts that are important.”

In 2002, as part of WIRED's effort to explain and humanize the newfangled technology of genomic sequencing, I was one of the first people to be genetically sequenced. Back then, my genomic “read” seemed highly personal, claiming to reveal secrets about my health buried deep in my DNA. As part of my reporting, a San Diego–based company named Sequenom tested me for several hundred DNA markers associated with disease risk factors, ranging from Alzheimer’s and hypertension to some forms of cancer. For instance, Sequenom’s scientists found a mutation on my sixth chromosome that was later found to be associated with a slightly higher risk of heart attack. Like a lot of people who’ve had their genomes sequenced through services like 23andMe, I mentally stored this information under “good to know.” Fifteen years (and zero heart attacks) later, as I contemplated my own personal HGP-Write project, I wondered how it would feel to know that a little piece of me was being partially copied and recoded to be new and improved.

After meeting with Church last summer, I sat down with his team in a conference room at Harvard’s Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering, a glass and steel marvel situated behind the Church lab’s main building. The team included four researchers and 32-year-old Albanian postdoc Eriona Hysolli. With dark, braided hair and a serious demeanor, Hysolli walked me through how they’ll build my Y chromosome.

Gene synthesis, Hysolli says, starts with the researchers looking up a subject’s digi­tal genetic sequence on a computer. On a glowing screen she shows me a segment of my sequence, which looks like this:

CGG CGA AGC TCT TCC TTC CTT TGC ACT GAA AGC TGT AAC TCT AAG TAT CAG TGT GAA ACG GGA GAA AAC AGT AAA GGC AAC GTC CAG GAT CGA GTG AAG CGA CCC ATG AAC GCA TTC ATC GTG TGG TCT CGC GAT CAG CGG CGC AAG ATG GCT CTA GAG AAT CCC CGA

… and so on. Hysolli explains that, rather than synthesize every nucleotide in my Y chromosome, Church’s team will focus on discrete genetic units, called codons, that determine what kind of amino acids (and, eventually, proteins) are produced by a cell. Each codon is made up of three nucleotides (ATG, for example, or TCC), and by swapping out certain nucleotides in the codons, Hysolli and her team hope to make genome-wide changes that would make a cell resistant to viruses. Once the targeted codons have been recoded, ­Hysolli will send this genetic blueprint to a company, Integrated DNA Technologies, which creates small, custom-made segments of actual DNA called oligo­nucleotides, or oligos. IDT will then freeze-dry the oligos and mail them back to Hysolli. She and her researchers will thaw out the oligos and connect them into longer and longer sequences, with each new segment bringing them one step closer to a completed chromosome.

That’s the plan, anyway, and it will take up to a year to complete the process. In the meantime, I ask Hysolli to provide a less ambitious demonstration of how writing DNA works. At first, she is reluctant to do something that she considers easy (for her). But she soon agrees, and we choose a segment of DNA on my sixth chromosome that contains the mutation revealed by my earlier genetic tests—the one that’s associated with a modest risk of heart attack. To create a new and improved version of this gene fragment, Hysolli corrects the risky mutation on her computer. She also recodes this morsel of DNA to be resistant to viruses, just for good measure. Hysolli then orders the recoded DNA fragment from IDT, which arrives several days later.

Once they receive the fragment, the researchers clone it and drop it into the cytoplasm of E. coli, a well-known bacterium. Geneticists frequently do this to take advantage of E. coli’s rapid rate of reproduction. After several days, the E. coli have churned out enough of my altered chromosome that Hysolli sends me a picture of the bacteria in a petri dish containing these tiny bits of me. Not that I can actually see the nano-size flecks. But I can view a splattering of green glowing blobs inside the cell. The blobs are produced by a “fluorescent reporter gene,” taken from a jellyfish, that is routinely used by scientists to tag genes in this way. The smudgy, brown-green soup of microbes speckled with glowing dots is a long way from being a recognizable version of me, but it did make me squirm a bit to think that one day I might be looking at a more complete version of my full genome in a petri dish, all gussied up.

The final step in creating this synthetic mini-me is to swap the repaired gene into cells to be stored. Not just any cells, though—scientists use my white blood cells to make what are called induced pluripotent stem cells, meaning that they can grow into any cell in the body. (This bioengineering is done by a Madison, Wisconsin, company called Cellular Dynamics International, which creates stem cells for pharmaceutical and academic outfits.) Someday these cells could be injected into my body in the hope of changing the way my body works, but right now, “getting edited cells in the body is super challenging,” Hysolli says. “For many tissues, you can inject them directly and wait to see if a small percentage survive and thrive. Or you can inject blood stem cells intravenously and see if they home in on the bone marrow or the thymus.” Until that technology matures, these doctored cells of mine will be frozen and stored, to be accessed by me or perhaps someone else in the future.

Church cautions that the technology behind genome-scale synthetic biology remains nascent, difficult, and expensive. GP-Write has yet to raise significant funds, though individual labs like Church and Boeke’s have raised money from govern­ment agencies such as the National Science Foundation and Darpa, the Pentagon’s R&D arm. For now, I’m not holding my breath that I’ll get my recoded Y chromosome­—or the tiny fix that Hysolli made on my chromosome six—implanted in me anytime soon. But they’ll be sitting there in the deep freeze should the raft of ethical, technical, and safety issues ever get worked out.


İçindəkilər

The exact compounds an organism is exposed to will be largely unpredictable, and may differ widely over time these are major characteristics of xenobiotic toxic stress. [1] The major challenge faced by xenobiotic detoxification systems is that they must be able to remove the almost-limitless number of xenobiotic compounds from the complex mixture of chemicals involved in normal metabolism. The solution that has evolved to address this problem is an elegant combination of physical barriers and low-specificity enzymatic systems.

All organisms use cell membranes as hydrophobic permeability barriers to control access to their internal environment. Polar compounds cannot diffuse across these cell membranes, and the uptake of useful molecules is mediated through transport proteins that specifically select substrates from the extracellular mixture. This selective uptake means that most hydrophilic molecules cannot enter cells, since they are not recognised by any specific transporters. [2] In contrast, the diffusion of hydrophobic compounds across these barriers cannot be controlled, and organisms, therefore, cannot exclude lipid-soluble xenobiotics using membrane barriers.

However, the existence of a permeability barrier means that organisms were able to evolve detoxification systems that exploit the hydrophobicity common to membrane-permeable xenobiotics. These systems therefore solve the specificity problem by possessing such broad substrate specificities that they metabolise almost any non-polar compound. [1] Useful metabolites are excluded since they are polar, and in general contain one or more charged groups.

The detoxification of the reactive by-products of normal metabolism cannot be achieved by the systems outlined above, because these species are derived from normal cellular constituents and usually share their polar characteristics. However, since these compounds are few in number, specific enzymes can recognize and remove them. Examples of these specific detoxification systems are the glyoxalase system, which removes the reactive aldehyde methylglyoxal, [3] and the various antioxidant systems that eliminate reactive oxygen species. [4]

The metabolism of xenobiotics is often divided into three phases:- modification, conjugation, and excretion. These reactions act in concert to detoxify xenobiotics and remove them from cells.

Phase I – modification Edit

In phase I, a variety of enzymes act to introduce reactive and polar groups into their substrates. One of the most common modifications is hydroxylation catalysed by the cytochrome P-450-dependent mixed-function oxidase system. These enzyme complexes act to incorporate an atom of oxygen into nonactivated hydrocarbons, which can result in either the introduction of hydroxyl groups or N-, O- and S-dealkylation of substrates. [5] The reaction mechanism of the P-450 oxidases proceeds through the reduction of cytochrome-bound oxygen and the generation of a highly-reactive oxyferryl species, according to the following scheme: [6]

O2 + NADPH + H + + RH → NADP + + H2O + ROH

Phase I reactions (also termed nonsynthetic reactions) may occur by oxidation, reduction, hydrolysis, cyclization, decyclization, and addition of oxygen or removal of hydrogen, carried out by mixed function oxidases, often in the liver. These oxidative reactions typically involve a cytochrome P450 monooxygenase (often abbreviated CYP), NADPH and oxygen. The classes of pharmaceutical drugs that utilize this method for their metabolism include phenothiazines, paracetamol, and steroids. If the metabolites of phase I reactions are sufficiently polar, they may be readily excreted at this point. However, many phase I products are not eliminated rapidly and undergo a subsequent reaction in which an endogenous substrate combines with the newly incorporated functional group to form a highly polar conjugate.

A common Phase I oxidation involves conversion of a C-H bond to a C-OH. This reaction sometimes converts a pharmacologically inactive compound (a prodrug) to a pharmacologically active one. By the same token, Phase I can turn a nontoxic molecule into a poisonous one (toxification). Simple hydrolysis in the stomach is normally an innocuous reaction, however there are exceptions. For example, phase I metabolism converts acetonitrile to HOCH2CN, which rapidly dissociates into formaldehyde and hydrogen cyanide. [7]

Phase I metabolism of drug candidates can be simulated in the laboratory using non-enzyme catalysts. [8] This example of a biomimetic reaction tends to give products that often contains the Phase I metabolites. As an example, the major metabolite of the pharmaceutical trimebutine, desmethyltrimebutine (nor-trimebutine), can be efficiently produced by in vitro oxidation of the commercially available drug. Hydroxylation of an N-methyl group leads to expulsion of a molecule of formaldehyde, while oxidation of the O-methyl groups takes place to a lesser extent.

Oxidation Edit

Reduction Edit

Cytochrome P450 reductase, also known as NADPH:ferrihemoprotein oxidoreductase, NADPH:hemoprotein oxidoreductase, NADPH:P450 oxidoreductase, P450 reductase, POR, CPR, CYPOR, is a membrane-bound enzyme required for electron transfer to cytochrome P450 in the microsome of the eukaryotic cell from a FAD- and FMN-containing enzyme NADPH:cytochrome P450 reductase The general scheme of electron flow in the POR/P450 system is: NADPH → FAD → FMN → P450 → O2

During reduction reactions, a chemical can enter futile cycling, in which it gains a free-radical electron, then promptly loses it to oxygen (to form a superoxide anion).

Hydrolysis Edit

Phase II – conjugation Edit

In subsequent phase II reactions, these activated xenobiotic metabolites are conjugated with charged species such as glutathione (GSH), sulfate, glycine, or glucuronic acid. Sites on drugs where conjugation reactions occur include carboxy (-COOH), hydroxy (-OH), amino (NH2), and thiol (-SH) groups. Products of conjugation reactions have increased molecular weight and tend to be less active than their substrates, unlike Phase I reactions which often produce active metabolites. The addition of large anionic groups (such as GSH) detoxifies reactive electrophiles and produces more polar metabolites that cannot diffuse across membranes, and may, therefore, be actively transported.

These reactions are catalysed by a large group of broad-specificity transferases, which in combination can metabolise almost any hydrophobic compound that contains nucleophilic or electrophilic groups. [1] One of the most important classes of this group is that of the glutathione S-transferases (GSTs).

Phase III – further modification and excretion Edit

After phase II reactions, the xenobiotic conjugates may be further metabolized. A common example is the processing of glutathione conjugates to acetylcysteine (mercapturic acid) conjugates. [11] Here, the γ-glutamate and glycine residues in the glutathione molecule are removed by Gamma-glutamyl transpeptidase and dipeptidases. In the final step, the cysteine residue in the conjugate is acetylated.

Conjugates and their metabolites can be excreted from cells in phase III of their metabolism, with the anionic groups acting as affinity tags for a variety of membrane transporters of the multidrug resistance protein (MRP) family. [12] These proteins are members of the family of ATP-binding cassette transporters and can catalyse the ATP-dependent transport of a huge variety of hydrophobic anions, [13] and thus act to remove phase II products to the extracellular medium, where they may be further metabolized or excreted. [14]

The detoxification of endogenous reactive metabolites such as peroxides and reactive aldehydes often cannot be achieved by the system described above. This is the result of these species' being derived from normal cellular constituents and usually sharing their polar characteristics. However, since these compounds are few in number, it is possible for enzymatic systems to utilize specific molecular recognition to recognize and remove them. The similarity of these molecules to useful metabolites therefore means that different detoxification enzymes are usually required for the metabolism of each group of endogenous toxins. Examples of these specific detoxification systems are the glyoxalase system, which acts to dispose of the reactive aldehyde methylglyoxal, and the various antioxidant systems that remove reactive oxygen species.

Quantitatively, the smooth endoplasmic reticulum of the liver cell is the principal organ of drug metabolism, although every biological tissue has some ability to metabolize drugs. Factors responsible for the liver's contribution to drug metabolism include that it is a large organ, that it is the first organ perfused by chemicals absorbed in the gut, and that there are very high concentrations of most drug-metabolizing enzyme systems relative to other organs. If a drug is taken into the GI tract, where it enters hepatic circulation through the portal vein, it becomes well-metabolized and is said to show the first pass effect.

Other sites of drug metabolism include epithelial cells of the gastrointestinal tract, lungs, kidneys, and the skin. These sites are usually responsible for localized toxicity reactions.

The duration and intensity of pharmacological action of most lipophilic drugs are determined by the rate they are metabolized to inactive products. The Cytochrome P450 monooxygenase system is the most important pathway in this regard. In general, anything that increases the rate of metabolism (məs., enzyme induction) of a pharmacologically active metabolite will azalma the duration and intensity of the drug action. The opposite is also true (məs., enzyme inhibition). However, in cases where an enzyme is responsible for metabolizing a pro-drug into a drug, enzyme induction can speed up this conversion and increase drug levels, potentially causing toxicity.

Müxtəlif physiologicalpathological factors can also affect drug metabolism. Physiological factors that can influence drug metabolism include age, individual variation (məs., pharmacogenetics), enterohepatic circulation, nutrition, intestinal flora, or sex differences.

In general, drugs are metabolized more slowly in fetal, neonatal and elderly humans and animals than in adults.

Genetic variation (polymorphism) accounts for some of the variability in the effect of drugs. With N-acetyltransferases (involved in Phase II reactions), individual variation creates a group of people who acetylate slowly (slow acetylators) and those who acetylate quickly, split roughly 50:50 in the population of Canada. This variation may have dramatic consequences, as the slow acetylators are more prone to dose-dependent toxicity.

Cytochrome P450 monooxygenase system enzymes can also vary across individuals, with deficiencies occurring in 1 – 30% of people, depending on their ethnic background.

Dose, frequency, route of administration, tissue distribution and protein binding of the drug affect its metabolism.

Pathological factors can also influence drug metabolism, including liver, kidney, or heart diseases.

Silikonda modelling and simulation methods allow drug metabolism to be predicted in virtual patient populations prior to performing clinical studies in human subjects. [15] This can be used to identify individuals most at risk from adverse reaction.

Studies on how people transform the substances that they ingest began in the mid-nineteenth century, with chemists discovering that organic chemicals such as benzaldehyde could be oxidized and conjugated to amino acids in the human body. [16] During the remainder of the nineteenth century, several other basic detoxification reactions were discovered, such as methylation, acetylation, and sulfonation.

In the early twentieth century, work moved on to the investigation of the enzymes and pathways that were responsible for the production of these metabolites. This field became defined as a separate area of study with the publication by Richard Williams of the book Detoxication mechanisms in 1947. [17] This modern biochemical research resulted in the identification of glutathione S-transferases in 1961, [18] followed by the discovery of cytochrome P450s in 1962, [19] and the realization of their central role in xenobiotic metabolism in 1963. [20] [21]


How could pharmaceutical metabolizing bacteria be used to synthesize them? - Biologiya

The best way to mix the large vat in order to keep nutrient levels, temperature, and oxygen levels constant.

The ideal rate of pulling off some of the culture in order to maintain the cells in log phase.

The ideal rate of input of new nutrients into the culture to maintain the cells in log phase.

The best way to keep the pH of the entire mixture at the ideal level to promote log phase growth.

a packet containing chemicals that generate carbon dioxide and hydrogen is used in a(n) candle/anaerobic jar.

atmospheric oxygen in a(n) candle/anaerobe jar is converted to water.

oxidizing agents are incorporated into the media that react with oxygen.

Streak the sample for isolation on a MacConkey agar plate (which contains lactose and a pH indicator that turns pink when acid byproducts are present).

Streak the sample for isolation on a blood agar plate (which contains lactose AND red blood cells that enrich the culture for iron).

None of the above would work-there's no way to reliably determine this feature from the specimen given.

metabolically active cells.

vigorously dividing cells.

dormant, metabolically inactive cells.

temperature gradients AND pH gradients

sunlight AND metabolizing chemical compounds.

sunlight AND temperature gradients.

may significantly inhibit bioremediation efforts.

may protect organisms against harmful chemicals.

are a peptidoglycan-encased community of microorganisms.

Streak the sample for isolation on Thayer-Martin agar (which contains lactose and particular antibiotics for selectivity).

None of the above would work-there's no way to reliably determine this feature from the specimen given.

Streak the sample for isolation on a blood agar plate (which contains lactose AND red blood cells that enrich the culture for iron).

refers to a hydrolysate of proteins used in growth media.

consists of a water extract of beef.

refers to a hydrolysate of carbohydrates used in growth media.

refers to a hydrolysate of proteins used in growth media AND consists of a water extract of beef.

often grow in close association with many other kinds of organisms.

may remain in a prolonged exponential phase.

frequently synthesize structures such as slime layers.

may adhere to surfaces by means of pili and slime layers.

grown at a pH of 5 AND grown at 40C.

grown on agar containing chocolate AND grown at 40C.

grown on agar containing blood AND grown at 40C.

The temperature is probably different-the thermal vent would be very hot, while these researchers are trying to grow this microbe at room temperature.

Oxygen concentrations are very different between the two environments-it's possible the microbe is a strict anaerobe and is poisoned by the air (oxygen) in the lab.

Salt concentrations might be different in the media the researchers are attempting to use and the salt water the microbe is used to living in. This might be causing osmotic pressure differences that the microbe can't tolerate.

The pressure isn't the same at sea level as it is on the ocean floor and the microbe may require a very specific pressure.


The DNA revolution: a starring role for bacteria

The second half of the 20th century saw rapid breakthroughs in our understanding of how DNA (the genetic material within every cell ) functions. Within a couple of decades, scientists discovered what DNA looks like, how it acts as instructions for making the cell’s proteins, how DNA sequences can be altered and how DNA can be moved between different species .

Bacteria – particularly the bacterium Escherichia coli – have been central to this revolution. oldu E. coli that was the first host for foreign DNA, and plasmid DNA from E. coli has been a crucial tool for working with pieces of DNA from all species.


Comparative Genomics in Prokaryotes

T. RYAN GREGORY , ROB DESALLE , in The Evolution of the Genome , 2005

HGT between Bacteria and Archaea

Although far more emphasis has been placed on the study of horizontal transfer in Bacteria, there is evidence that the process also occurs among species of Archaea ( Boucher və b., 2003). Transfer across these domains might be considered unlikely given the common (but incomplete) impression of Archaea as extremophiles experiencing little contact with bacteria, but there nevertheless are signs that such events do take place when bacteria and archaea share a common environment (e.g., Snel və b., 2002 Boucher və b., 2003 Brown, 2003 ).

As one commonly cited example, completion of the genome sequence of Thermotoga maritima, a thermophile and member of one of the deepest branching and most slowly evolving lineages of bacteria, revealed 24% of its genome to be more similar to representatives of the Archaea than to other bacteria, a much higher percentage than in most bacterial species ( Logsdon and Faguy, 1999 Nelson və b., 1999 ). The preferred explanation for this unusual similarity was that there had been extensive horizontal gene transfer between the T. maritima and archaeon lineages ( Nelson və b., 1999 ). Similarly, Aravind və b. (1998) suggested that at least 10% of the genes of the thermophilic bacterium Aquifex aeolicus had been transferred from extremophilic archaea, although a revised estimate was closer to 4% ( Aravind və b., 1999 Logsdon and Faguy, 1999 ). It bears noting that several alternative explanations (some of which were considered and rejected by Nelson və b., 1999 , and Aravind və b., 1999 ) have been offered for these patterns, including differential gene loss and/or divergence in thermophilic versus nonthermophilic bacteria, the expansion and resulting overrepresentation of a few gene families related to archaeal sequences, an ancient shared ancestry between the hyperthermophilic bacteria and archaeons (each of which is among the oldest lineages in its respective domain), or simply a current lack of orthologs from other bacteria in the existing gene databases ( Kyrpides and Olsen, 1999 Logsdon and Faguy, 1999 Brown, 2003 ).

Bacteria and Archaea may also cohabitate, and thus encounter opportunities to exchange genes, in nonextreme environments. Methanogenic archaea are very common in mammalian digestive tracts, for example, and therefore come into contact with well-known bacteria like E. coli. Importantly, it seems that the transfer of archaeal genes may have played a role in the emergence of pathogenicity in virulent strains of E. coli ( Faguy, 2003 ). As Faguy (2003) noted, if transfers can occur across these two (presumably) most distantly related domains, “then potentially any organism is a reservoir of virulence genes for pathogens.” There is also evidence that genes may pass from bacteria to methanogenic archaea, as for example with Methanosarcina mazei, about 30% of whose open reading frames appear to have closer affinities to bacterial sequences than to those of its fellow archaeons ( Deppenmeier və b., 2002 ).


Scientists Give Genetically Modified Organisms A Safety Switch

Scientists reprogrammed the common bacterium E. coli so it requires a synthetic amino acid to live.

Researchers at Harvard and Yale have used some extreme gene-manipulation tools to engineer safety features into designer organisms.

This work goes far beyond traditional genetic engineering, which involves moving a gene from one organism to another. In this case, they're actually rewriting the language of genetics.

The goal is to make modified organisms safer to use, and also to protect them against viruses that can wreak havoc on pharmaceutical production.

The Salt

Who Made That Flavor? Maybe A Genetically Altered Microbe

To understand what they've done, you may need to remember a bit of basic biology. The enzymes and other proteins in our bodies are all built from building blocks called amino acids. There are usually just 20 amino acids in nature. But George Church, a professor of genetics at Harvard Medical School, has created a bacterium that requires an additional amino acid, one made in the lab and not found in nature. His lab did that by rewriting the bacteria's genetic language to add a "word" that calls for this unnatural amino acid.

"So this really makes it a completely new branch of life," Church says.

These modified E. coli bacteria essentially speak a different genetic language from all other life on Earth. That means they can't easily swap genes, which bacteria often do to pick up or get rid of traits. And it also means that these modified E. coli must be fed the synthetic amino acid to survive.

"It will die as soon as you remove that essential nutrient," Church says.

The scientists say this radical re-engineering actually makes these synthetic life forms safer, because if they escape into the wild they'll die. One key question is whether these engineered bacteria can shed the traits that make them dependent on the synthetic amino acid. (Bacteria mutate all the time, picking up new traits and dropping others).

Genzyme had to halt production at its Allston, Mass., pharmaceutical plant in 2009, after bacteria used in manufacturing were contaminated with viruses. Brian Snyder/Reuters Landov başlığı gizlət

Genzyme had to halt production at its Allston, Mass., pharmaceutical plant in 2009, after bacteria used in manufacturing were contaminated with viruses.

Brian Snyder/Reuters Landov

Church says that if his lab had modified just one trait, the bacteria would have a one in a million chance of getting rid of this safety feature. But by modifying several traits, he says the odds are more like one in a trillion that the bacteria can survive without the synthetic amino acid.

These modified organisms have another plus: With their altered genetic code, they are resistant to viruses that frequently attack bacteria. Viruses need the conventional DNA language in order to infect bacteria. So this is a selling point for industries that use E. coli.

"If you get your factory contaminated, it can be hard to clean out for a year," Church says, pointing to an episode at Genzyme Corp., a Cambridge, Mass., pharmaceutical manufacturer, in 2009. Viruses there contaminated a plant where bacteria were used to make drugs for two rare genetic disorders, Gaucher disease and Fabry disease, cutting off supplies.

And industrial uses are potentially just the start for engineered organisms.

"This also sets the stage for opening up new types of applications going forward," said Farren Isaacs , an assistant professor of molecular, cell, and developmental biology at Yale University. Isaacs left Church's lab at Harvard to start his own at Yale. He has kept pace with his former boss. He, too, has built some safety features into E. coli. Their reports were published together Wednesday in the journal Təbiət.

Other uses might include engineering oil-eating bacteria to use on a spill. They could be killed off when they're done by withholding the essential nutrient. Isaacs says scientists could also engineer bacteria to produce probiotics for human consumption.

It's harder to think about how this technology could be used in agriculture. Countless acres of genetically engineered crops would need to be fed this manmade ingredient, from a crop duster or by some other means. Scientists would also need to show that the synthetic protein component is safe to eat.

"I think it's commendable they're starting to design safety into genetically modified organisms," says Jennifer Kuzma, co-director of the Genetic Engineering and Society Center at North Carolina State University. "However, I don't really think it's going to affect the public perception that much or the way we have to deal with the uncertainty anyway. You may reduce the chance of spread, but you cannot eliminate it completely."

Science doesn't offer absolutes. But this technology is evolving quickly, and Church says it's important to engineer in safety features as they go.


Videoya baxın: Müxtəlif mühitlərdə bənzər viruslar (Oktyabr 2022).