การออกแบบแบคทีเรียที่มีประโยชน์มากขึ้น

งานนี้สัญญาว่าจะลดภัยคุกคามจากการปนเปื้อนของไวรัสเมื่อควบคุมแบคทีเรียเพื่อผลิตยา เช่น อินซูลิน รวมถึงสารที่มีประโยชน์อื่นๆ เช่น เชื้อเพลิงชีวภาพ ปัจจุบัน ไวรัสที่ติดเชื้อในถังแบคทีเรียสามารถหยุดการผลิต ลดความปลอดภัยของยา และเสียค่าใช้จ่ายหลายล้านดอลลาร์ ผลลัพธ์ได้รับการเผยแพร่ในวัน ที่15 มีนาคมในNature "เราเชื่อว่าเราได้พัฒนาเทคโนโลยีแรกในการออกแบบสิ่งมีชีวิตที่ไม่สามารถติดเชื้อไวรัสที่รู้จักได้" Akos Nyerges ผู้เขียนคนแรกของการศึกษากล่าว นักวิจัยด้านพันธุศาสตร์ในห้องทดลองของ George Church ในสถาบัน Blavatnik ที่ Harvard โรงเรียนแพทย์และ Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering “เราไม่สามารถพูดได้เต็มปากว่ามันต้านทานไวรัสได้อย่างเต็มที่ แต่จนถึงตอนนี้ จากการทดลองในห้องปฏิบัติการอย่างกว้างขวางและการวิเคราะห์ด้วยคอมพิวเตอร์ เราไม่พบไวรัสที่สามารถทำลายมันได้” Nyerges กล่าว งานนี้ยังเป็นมาตรการความปลอดภัยในตัวแรกที่ป้องกันสารพันธุกรรมดัดแปลงจากการรวมเข้ากับเซลล์ธรรมชาติ เขากล่าว ผู้เขียนกล่าวว่างานของพวกเขาแนะนำวิธีการทั่วไปในการสร้างภูมิคุ้มกันต่อไวรัสและป้องกันไม่ให้ยีนไหลเข้าและออกจากสิ่งมีชีวิตดัดแปลงพันธุกรรม (GMOs) กลยุทธ์การควบคุมทางชีวภาพดังกล่าวกำลังได้รับความสนใจเพิ่มขึ้น เนื่องจากกลุ่มต่างๆ สำรวจการใช้งาน GMOs อย่างปลอดภัยสำหรับการปลูกพืช การลดการแพร่กระจายของโรค การผลิตเชื้อเพลิงชีวภาพ และการกำจัดสารมลพิษออกจากสภาพแวดล้อมแบบเปิด สร้างจากสิ่งที่มีอยู่ก่อน การค้นพบนี้สร้างขึ้นจากความพยายามก่อนหน้านี้ของนักพันธุวิศวกรรมเพื่อให้ได้แบคทีเรียที่มีประโยชน์ ปลอดภัย และต้านทานไวรัส ในปี 2565 กลุ่มหนึ่งจากมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์คิดว่าพวกเขาสร้างเชื้ออีโคไลสายพันธุ์ที่มีภูมิคุ้มกันต่อไวรัส แต่จากนั้น Nyerges ได้ร่วมมือกับเพื่อนนักวิจัย Siân Owen และนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษา Eleanor Rand ในห้องทดลองของผู้เขียนร่วม Michael Baym ผู้ช่วยศาสตราจารย์ด้านสารสนเทศชีวการแพทย์ในสถาบัน Blavatnik ที่ HMS เมื่อพวกเขาสุ่มตัวอย่างสถานที่ในท้องถิ่นที่เต็มไปด้วยเชื้อ E. coliรวมถึงเล้าไก่ รังหนู สิ่งปฏิกูล และแม่น้ำโคลนข้างถนนจากวิทยาเขต HMS พวกเขาค้นพบไวรัสที่ยังคงสามารถแพร่เชื้อในแบคทีเรียที่ดัดแปลงได้ การค้นพบว่าแบคทีเรียไม่สามารถต้านทานไวรัสได้อย่างสมบูรณ์ "เป็นคนเกียจคร้าน" Nyerges กล่าว วิธีการเริ่มต้นนั้นเกี่ยวข้องกับการเขียนโปรแกรมซ้ำทางพันธุกรรมของE. coliเพื่อสร้างโปรตีนที่หล่อเลี้ยงชีวิตของพวกมันทั้งหมดจาก 61 ชุดของหน่วยการสร้างพันธุกรรมหรือ codon แทนที่จะเป็น 64 ที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติ แนวคิดก็คือไวรัสจะไม่สามารถจี้เซลล์ได้ เพราะมันไม่สามารถทำซ้ำได้หากไม่มีโคดอนที่ขาดหายไป อย่างไรก็ตาม ทีม HMS พบว่าการลบรหัสนั้นไม่เพียงพอ ไวรัส บางตัวนำอุปกรณ์ของตัวเองเข้ามาเพื่อกำจัดชิ้นส่วนที่หายไป ดังนั้น Nyerges และเพื่อนร่วมงานจึงได้พัฒนาวิธีที่จะเปลี่ยนแปลงสิ่งที่ codons เหล่านั้นบอกให้สิ่งมีชีวิตสร้าง ซึ่งเป็นสิ่งที่นักวิทยาศาสตร์ไม่เคยทำมาก่อนในเซลล์ของสิ่งมีชีวิต หายไปในการแปล คีย์อยู่ในการถ่ายโอน RNAs หรือ tRNAs บทบาทของ tRNA แต่ละตัวคือการจดจำรหัสเฉพาะและเพิ่มกรดอะมิโนที่สอดคล้องกันให้กับโปรตีนที่ถูกสร้างขึ้น ตัวอย่างเช่น โคดอน TCG บอกให้ tRNA ที่ตรงกันของมันจับกับซีรีนของกรดอะมิโน ในกรณีนี้ ทีมเคมบริดจ์ได้ลบ TCG พร้อมกับน้องสาว codon TCA ซึ่งเรียก serine เช่นกัน ทีมงานได้ลบ tRNA ที่เกี่ยวข้องออกไปด้วย ตอนนี้ทีม HMS ได้เพิ่ม tRNA ใหม่ที่หลอกลวงเข้ามาแทนที่ เมื่อ tRNA เหล่านี้เห็น TCG หรือ TCA พวกมันจะเพิ่มลิวซีนแทนซีรีน "ลิวซีนมีความแตกต่างจากซีรีนมากพอๆ กับที่คุณจะได้รับ ทั้งทางร่างกายและทางเคมี" ไนเออร์เกสกล่าว เมื่อไวรัสที่บุกรุกฉีดรหัสพันธุกรรมของตัวเองที่เต็มไปด้วย TCG และ TCA และพยายามบอกให้E. coliสร้างโปรตีนของไวรัส tRNA เหล่านี้จะทำให้คำสั่งของไวรัสยุ่งเหยิง การใส่กรดอะมิโนที่ไม่ถูกต้องส่งผลให้โปรตีนของไวรัสทำงานผิดปกติ ซึ่งหมายความว่าไวรัสไม่สามารถแพร่พันธุ์และแพร่เชื้อไปยังเซลล์อื่นๆ ต่อไปได้ อย่างไรก็ตาม ไวรัสยังมาพร้อมกับ tRNA ของพวกมันเองด้วย สิ่งเหล่านี้ยังสามารถเปลี่ยน TCG และ TCA ให้เป็นซีรีนได้อย่างแม่นยำ แต่ Nyerges และเพื่อนร่วมงานได้แสดงหลักฐานว่า tRNA ของนักเล่นกลที่พวกเขาแนะนำนั้นเก่งมากในงานของพวกเขาจนสามารถเอาชนะไวรัสได้ "มันท้าทายมากและเป็นความสำเร็จที่ยิ่งใหญ่ในการแสดงให้เห็นว่าสามารถแลกเปลี่ยนรหัสพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิตได้" ไนเออร์เกสกล่าว "และมันจะได้ผลก็ต่อเมื่อเราทำด้วยวิธีนี้" งานวิจัยนี้อาจช่วยขจัดอุปสรรคสุดท้ายในการทำให้แบคทีเรียมีภูมิคุ้มกันต่อไวรัสทั้งหมดได้ แม้ว่าจะยังคงมีโอกาสที่จะมีบางสิ่งที่สามารถทำลายการป้องกันได้ ผู้เขียนกล่าว ทีมงานมีความมั่นใจเมื่อรู้ว่าการเอาชนะโคดอนที่ถูกสับเปลี่ยนนั้นต้องใช้ไวรัสในการพัฒนาการกลายพันธุ์ที่เฉพาะเจาะจงหลายรายการในเวลาเดียวกัน Nyerges กล่าวว่า "นั่นไม่น่าเป็นไปได้มากสำหรับการวิวัฒนาการตามธรรมชาติ มาตรการด้านความปลอดภัย งานนี้ประกอบด้วยการป้องกันสองแบบแยกกัน วิธีแรกป้องกันการถ่ายโอนยีนในแนวนอน ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นอย่างต่อเนื่องซึ่งตัวอย่างรหัสพันธุกรรมและลักษณะที่เกี่ยวข้อง เช่น การดื้อยาปฏิชีวนะ ถูกถ่ายโอนจากสิ่งมีชีวิตหนึ่งไปยังอีกสิ่งมีชีวิตหนึ่ง Nyerges และเพื่อนร่วมงานลัดวงจรผลลัพธ์นี้โดยการแทนที่ยีนใน เซลล์ E. coliที่ได้รับการดัดแปลง เพื่อให้ codons ทั้งหมดที่เรียกหา leucine ถูกแทนที่ด้วย TCG หรือ TCA ซึ่งเป็น codons ที่อยู่ในสิ่งมีชีวิตที่ไม่ได้ดัดแปลงจะเรียก serine แบคทีเรียยังคงสร้างลิวซีนในสถานที่เหล่านั้นได้อย่างถูกต้องเนื่องจาก tRNA ที่หลอกลวงของพวกมัน หากสิ่งมีชีวิตอื่นรวมส่วนย่อยที่ดัดแปลงแล้วเข้ากับจีโนมของมันเอง tRNAs ตามธรรมชาติของสิ่งมีชีวิตจะตีความ TCG และ TCA ว่าเป็นซีรีนและจบลงด้วยโปรตีนขยะที่ไม่ก่อให้เกิดความได้เปรียบทางวิวัฒนาการใดๆ "ข้อมูลทางพันธุกรรมจะไม่มีความหมาย" Nyerges กล่าว ในทำนองเดียวกัน ทีมงานได้แสดงให้เห็นว่าหาก tRNAs จอมปลอมตัวใดตัวหนึ่งของE. coliถูกถ่ายโอนไปยังสิ่งมีชีวิตอื่น มันจะอ่าน serine codon ผิดเนื่องจาก leucine codon จะสร้างความเสียหายหรือฆ่าเซลล์ ซึ่งจะป้องกันการแพร่กระจายต่อไป "tRNAs ที่ถูกดัดแปลงใด ๆ ที่หลบหนีไปได้ไม่ไกลเพราะพวกมันเป็นพิษต่อสิ่งมีชีวิตตามธรรมชาติ" Nyerges กล่าว งานนี้แสดงถึงเทคโนโลยีแรกที่ป้องกันการถ่ายโอนยีนในแนวนอนจากสิ่งมีชีวิตดัดแปลงพันธุกรรมไปสู่สิ่งมีชีวิตตามธรรมชาติ เขากล่าว สำหรับการไม่ปลอดภัยครั้งที่สอง ทีมงานได้ออกแบบแบคทีเรียเองให้ไม่สามารถอยู่นอกสภาพแวดล้อมที่มีการควบคุมได้ ทีมใช้เทคโนโลยีที่มีอยู่ซึ่งพัฒนาโดยห้องทดลองของศาสนจักรเพื่อทำให้เชื้อE. coliอาศัยกรดอะมิโนที่ผลิตในห้องปฏิบัติการซึ่งไม่มีอยู่ในธรรมชาติ คนงานเพาะเลี้ยงเชื้ออีโคไล เหล่านี้ เพื่อผลิตอินซูลิน ตัวอย่างเช่น จะให้กรดอะมิโนผิดธรรมชาติแก่พวกมัน แต่ถ้าแบคทีเรียหลุดออกไป พวกมันก็จะสูญเสียการเข้าถึงกรดอะมิโนนั้นและตายไป ดังนั้นจึงไม่มีมนุษย์หรือสิ่งมีชีวิตอื่นใดที่เสี่ยงต่อการติดเชื้อจาก "ซูเปอร์แบคทีเรีย" Nyerges เน้นย้ำ Nyerges ตั้งตารอที่จะสำรวจการเขียนโปรแกรมซ้ำของ codon เพื่อเป็นเครื่องมือในการเกลี้ยกล่อมแบคทีเรียให้ผลิตวัสดุสังเคราะห์ที่มีประโยชน์ทางการแพทย์ซึ่งอาจต้องใช้สารเคมีราคาแพง ประตูอื่น ๆ ยังไม่ได้เปิด