นักวิทยาศาสตร์สร้างแบคทีเรียจีโนมขั้นต่ำ

มีเพียง 473 ยีนที่จำเป็นในการทำให้สิ่งมีชีวิตมีชีวิตอยู่

นักวิทยาศาสตร์ได้สร้างแบคทีเรียที่มีส่วนประกอบทางพันธุกรรมเพียงเล็กน้อยที่จำเป็นสำหรับการใช้ชีวิตอย่างอิสระ

นักวิจัยรายงานใน วารสาร Science 25 มีนาคมว่า พิมพ์เขียวยีนทั้งชุดของแบคทีเรียนี้ประกอบด้วยยีน 473 ยีน ในจำนวน นี้มี 149 ยีนที่ไม่ทราบหน้าที่ทางชีววิทยาที่แม่นยำ

แบคทีเรียที่สร้างขึ้นใหม่นี้มีจีโนมMycoplasma mycoides รุ่นมินิมอล Mycoplasmaมีจีโนมที่เล็กที่สุดที่รู้จักอยู่แล้ว M. mycoidesที่ใช้ในการทดลองเริ่มต้นด้วยยีน 901 ในการเปรียบเทียบ แบคทีเรียอื่นๆ รวมทั้งE. coliอาจมียีน 4,000 ถึง 5,000 ยีน มนุษย์มียีนมากกว่า 22,000 ยีน แม้ว่าจะไม่จำเป็นทั้งหมด ( SN: 4/2/16, p. 18 )

ในปี 2010 นักวิจัยที่ J. Craig Venter Institute ใน La Jolla, Calif. ได้จำลองจีโนมทั้งหมดของM. mycoidesและใส่เข้าไปในเซลล์ของสายพันธุ์ที่แตกต่างกันMycoplasma capricolumเพื่อสร้างสิ่งที่บางคนเรียกว่าสิ่งมีชีวิตสังเคราะห์ตัวแรก ( SN: 6/19/10, หน้า 5 ). งานใหม่นี้จะ ตัดจีโนม M. mycoidesออกเป็นองค์ประกอบที่จำเป็นก่อนที่จะย้ายไปยัง เปลือก M. capricolumทำให้เกิดแบคทีเรียที่ขนานนามว่า syn3.0 น้อยที่สุด

นักวิจัยหวังว่าจีโนมที่ไม่กระจัดกระจายของ syn3.0 จะสอนพวกเขาเพิ่มเติมเกี่ยวกับพื้นฐานของชีววิทยา แบคทีเรียจีโนมที่น้อยที่สุดดังกล่าวอาจเป็นตัวสร้างจุลินทรีย์ที่ผลิตขึ้นเองเพื่อผลิตยาหรือสารเคมี

J. Craig Venter ผู้ก่อตั้งสถาบันไม่แสวงหากำไรและทีมนักวิจัยที่นำโดย Clyde Hutchison III และ Daniel Gibson เริ่มออกแบบสิ่งมีชีวิตตามชุดแกนของยีนประมาณ 300 ตัวที่นักวิจัยคาดการณ์ว่าจุลินทรีย์จะต้องอยู่รอด ด้วยตัวเอง แต่เมื่อนักวิจัยพยายามที่จะทำให้การสร้างสรรค์คอมพิวเตอร์ของพวกเขามีชีวิต “การออกแบบของเราทุกอันล้มเหลว” Venter กล่าวในการประชุมทางไกลกับนักข่าว ความล้มเหลวเกิดจากการทิ้งยีนที่ไม่ทราบหน้าที่ออกจากการผสมผสาน ในที่สุดประมาณ 32 เปอร์เซ็นต์ของส่วนผสมทางพันธุกรรมที่จำเป็นในการปรุงอาหารแม้กระทั่งสิ่งมีชีวิตธรรมดา ๆ ก็ถูกละทิ้งจากสูตรเริ่มต้นเพราะนักวิจัยไม่รู้ว่ายีนทำอะไรและไม่เข้าใจถึงความสำคัญของพวกมัน เมื่อยีนเหล่านั้นถูกผสมกลับเข้าไปในแป้ง แบคทีเรียก็ฟื้นคืนชีพขึ้นมา

“ฉันคิดว่าเรากำลังแสดงให้เห็นว่าชีวิตซับซ้อนเพียงใดในสิ่งมีชีวิตที่เรียบง่ายที่สุด” Venter กล่าว “ผลการวิจัยเหล่านี้มีความถ่อมตัวมาก” เพราะพวกเขาแสดงให้เห็นว่านักวิจัยยังไม่เข้าใจอย่างถ่องแท้แม้แต่ความต้องการขั้นต่ำสำหรับชีวิต

การขาดความรู้นั้น 

“น่าผิดหวังหลังจากหลายปีของชีววิทยาระดับโมเลกุล” นักชีววิทยาสังเคราะห์ Pamela Silver จาก Harvard Medical School กล่าว แต่จุลินทรีย์ที่ลดขนาดลงอาจเป็นแพลตฟอร์มที่ดีสำหรับการค้นพบว่ายีนของหน้าที่ที่ไม่รู้จักทำอะไร เธอกล่าว

นักวิจัยคนอื่นๆ ได้พยายามสร้างจีโนมให้น้อยที่สุดโดยแยกยีนออกทีละตัว แต่กลุ่ม Venter ได้สร้างจุลชีพแบบลีนของพวกเขาขึ้นมาจากพื้นดิน โดยสังเคราะห์ชิ้นส่วนของ DNA ที่จะนำไปเย็บเป็นจีโนมที่สมบูรณ์ในเวลาต่อมา

Drew Endy นักชีววิทยาสังเคราะห์ที่มหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ด เป็นหนึ่งในนักวิทยาศาสตร์หลายคนที่ชื่นชมแนวทางที่ทำขึ้นเองโดยเริ่มจากศูนย์ “เมื่อคุณพยายามสร้างบางสิ่งเท่านั้น คุณจะพบว่าอะไรที่จำเป็นจริงๆ บ่อยครั้งในทางชีววิทยา เราลงเอยด้วยข้อมูล แบบจำลองคอมพิวเตอร์ หรือเรื่องราวเพียงเท่านั้น เมื่อคุณพยายามสร้างบางสิ่งจริงๆ คุณไม่สามารถซ่อนตัวจากความไม่รู้ของคุณได้” Endy กล่าวในอีเมล “สิ่งที่คุณสร้างนั้นใช้ได้ผลหรือไม่”

ในตอนแรก จีโนมเปล่าไม่ทำงาน นักวิจัยค้นพบยีนบางตัวที่ดูเหมือนไม่จำเป็นสำหรับชีวิตจริงๆ ยีนเหล่านั้นมักจะมีหน้าที่ซ้ำซ้อนกับยีนอื่น นักวิจัยสามารถกำจัดยีนเหล่านั้นได้ตัวหนึ่ง แต่ไม่ใช่ทั้งสองอย่างในเวลาเดียวกัน เช่นเดียวกับการทำให้เครื่องยนต์หนึ่งเครื่องยนต์ดับบนเครื่องบินไอพ่นสองเครื่องยนต์จะทำให้เครื่องบินลอยอยู่ในอากาศ แต่การปิดใช้งานเครื่องยนต์ทั้งสองจะนำไปสู่การชน กิบสันกล่าว

แม้ว่าจีโนมของ syn3.0 จะเล็กกว่าของแบคทีเรียที่มีชีวิตอิสระอื่นๆ มาก แต่ก็อาจไม่ใช่จีโนมที่น้อยที่สุดสำหรับสิ่งมีชีวิตอิสระทุกตัวในทุกสถานการณ์ (แบคทีเรียที่มีชีวิตภายในเซลล์เจ้าบ้านอาจมียีนน้อยกว่าที่ syn3.0 มี แต่ไม่สามารถอยู่รอดได้ด้วยตัวของมันเอง) นักวิจัยคนอื่น ๆ ได้ตั้งทฤษฎีว่าเซลล์ที่น้อยที่สุดอาจประกอบด้วยยีนที่จำลอง RNA ตัวเดียวภายในเมมเบรน นักพันธุศาสตร์ George Church กล่าว ของมหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ด

เจย์ คีสลิง นักชีววิทยาสังเคราะห์แห่งมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย เบิร์กลีย์ ระบุว่า การเริ่มต้นด้วยสิ่งมีชีวิตอื่นหรือการเติบโตของแบคทีเรียภายใต้สภาวะที่ต่างกันอาจนำไปสู่จุลชีพที่มีชุดยีนที่ต่างกันน้อยที่สุด “จีโนมขั้นต่ำอยู่ในสายตาของคนดู” เขากล่าว

Gibson และ Venter เห็นด้วยว่าพวกเขาได้สร้าง จีโนม ขั้นต่ำ แต่ไม่จำเป็นต้องเป็นจีโนมขั้นต่ำ Syn3.0 มีความคล่องตัว แต่ยังคงมีความหรูหราอยู่บ้าง ทีมงานได้เก็บยีน “กึ่งจำเป็น” ไว้หลายยีนที่ไม่จำเป็นอย่างยิ่งต่อชีวิต แต่ปล่อยให้แบคทีเรียเติบโตเร็วพอที่จะทำให้มีประโยชน์ในห้องปฏิบัติการ