Cellen met een volledig kunstmatig gesynthetiseerd genoom werden voor het eerst gerapporteerd in 2010 waaruit een minimalistische genoomcel werd afgeleid die vertoonde abnormale morfologie bij celdeling. Recente toevoeging van een groep genen aan deze minimalistische cel herstelde de normale celdeling
Cellen zijn de fundamentele structurele en functionele eenheden van het leven, een theorie voorgesteld door Schleiden en Schwann in 1839. Sindsdien zijn wetenschappers geïnteresseerd in het begrijpen van de cellulaire functies door te proberen de genetische code volledig te ontcijferen om te begrijpen hoe de cel groeit en zich deelt tot aanleiding geven tot meer cellen van dezelfde soort. Met de komst van DNA sequencing is het mogelijk geweest om de sequentie van het genoom te ontcijferen en daarbij een poging te doen om de cellulaire processen te begrijpen om de basis van het leven te begrijpen. In het jaar 1984 stelde Morowitz de studie voor van mycoplasma's, de eenvoudigste cellen die in staat zijn tot autonome groei, om de basisprincipes van het leven te begrijpen.
Sindsdien zijn er verschillende pogingen ondernomen om de grootte van het genoom te verkleinen tot een minimalistisch aantal, waardoor een cel is ontstaan die in staat is om alle basale cellulaire functies uit te voeren. De experimenten leidden voor het eerst tot de chemische synthese van het Mycoplasma mycoides-genoom van 1079 Kb in het jaar 2010 en werd genoemd als JCVI-syn1.0. Verdere verwijderingen gemaakt in JCVI-syn1.0 door Hutchinson III et al. (1) leidde in 3.0 tot JCVI-syn2016 met een genoomgrootte van 531 Kb met 473 genen en een verdubbelingstijd van 180 minuten, zij het met een abnormale morfologie bij celdeling. Het had nog 149 genen met onbekende biologische functies, wat wijst op de aanwezigheid van nog onontdekte elementen die essentieel zijn voor het leven. JCVI-syn3.0 biedt echter een platform voor het onderzoeken en begrijpen van levensfuncties door de principes van geheel-genoom ontwerp.
Onlangs, op 29 maart 2021, gebruikten Pelletier en collega's (2) JCVI syn3.0 om de genen te begrijpen die nodig zijn voor celdeling en morfologie door 19 genen te introduceren in het genoom van JCVI syn3.0, wat aanleiding gaf tot JCVI syn3.0A dat een morfologie vergelijkbaar met JCVI syn1.0. bij celdeling. 7 van deze 19 genen, omvatten twee bekende celdelingsgenen en 4 genen die coderen voor membraan-geassocieerde eiwitten met onbekende functie, die samen het fenotype herstelden dat vergelijkbaar was met dat van JCVI-syn1.0. Dit resultaat suggereert de polygene aard van celdeling en morfologie in een genomisch minimale cel.
Gezien het feit dat de JCVI syn3.0 in staat is te overleven en zich te vermenigvuldigen op basis van zijn minimalistische genoom, kan het worden gebruikt als een modelorganisme om verschillende celtypen te creëren met verschillende functies die gunstig kunnen zijn voor mens en milieu. Men kan bijvoorbeeld genen introduceren die leiden tot het oplossen van kunststoffen, zodat het nieuw gemaakte organisme op biologische wijze kan worden gebruikt voor de afbraak van kunststoffen. Evenzo kan eens worden overwogen om genen toe te voegen die betrekking hebben op fotosynthese in JCVI syn3.0, waardoor het geschikt wordt om koolstofdioxide uit de atmosfeer te gebruiken, waardoor de niveaus worden verlaagd en de opwarming van de aarde wordt verminderd, een belangrijk klimaatprobleem waarmee de mensheid wordt geconfronteerd. Dergelijke experimenten moeten echter met de grootste voorzichtigheid worden behandeld om ervoor te zorgen dat we geen superorganisme in de omgeving vrijgeven dat moeilijk te controleren is als het eenmaal is vrijgegeven.
Desalniettemin kan het idee van een cel met een minimalistisch genoom en de biologische manipulatie ervan leiden tot het creëren van gevarieerde celtypen met diverse functies die in staat zijn om grote problemen op te lossen waarmee de mensheid wordt geconfronteerd en haar uiteindelijke overleving. Er is echter een onderscheid tussen het creëren van een volledig synthetische cel versus het creëren van een functioneel synthetisch genoom. Een ideale volledig synthetische kunstmatige cel zou bestaan uit een gesynthetiseerd genoom samen met gesynthetiseerde cytoplasmatische componenten, een prestatie die wetenschappers de komende jaren graag eerder dan later zouden bereiken als de technologische vooruitgang zijn hoogtepunt bereikt.
De recente ontwikkeling zou een opstap kunnen zijn naar het creëren van een volledig synthetische cel die in staat is tot groei en deling.
***
Referenties:
- Hutchison III C, Chuang R., et al 2016. Ontwerp en synthese van een minimaal bacterieel genoom. Wetenschap 25 maart 2016: Vol. 351, uitgave 6280, aad6253
DOI: https://doi.org/10.1126/science.aad6253
- Pelletier JF, Sun L., et al 2021. Genetische vereisten voor celdeling in een genomisch minimale cel. Cel. Gepubliceerd: 29 maart 2021. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.03.008
***
