Összeilleszthető, mint a LEGO-kockák – Kutatók genetikailag szerkeszthető építőszettet fejlesztenek a zöldalgák számára

Egy nemzetközi kutatócsoport Juniorprofessor Dr. Felix Willmund (balra) és Dr. Michael Schroda professzor vezetésével egy génkészletet fejlesztett ki a zöldalga számára. (Fotó: Koziel/TUK)

A grafikon megmutatja, hogyan működik az építőkönyv. Az egyes génépítőelemek úgy kombinálhatók, mint a Lego-kockák. (Fotó: Schroda)

Az örökítőanyagban a sejtekben hasonló a helyzet, mint a gyárakban: a gének irányítják és szabályozzák a fehérje-termelést. Az iparban gyakran egy építőkocka-alapú elvet alkalmaznak, amely lehetővé teszi a gyártósorok cseréjét, ha más terméket szeretnének előállítani. A kutatók is azon dolgoznak, hogy a géneket építőkockákhoz hasonlóan különbözőképpen kombinálják. Egy ilyen készletet, 119 génfunkcióegységgel egy zöldalga számára, most egy nemzetközi kutatócsoport, a Kaiserslautern-i biológusokkal együttműködve, hozott létre. Így az algákból mini gyárakat lehet építeni, amelyek például színpigmenteket vagy orvosi hatóanyagokat állítanak elő. A tanulmány a „ACS Synthetic Biology” szaklapban jelent meg.

A Lego-kockák sokféle méretben, színben és formában léteznek. Bármilyen módon össze lehet őket rakni. Hasonlóan ezekhez a kis építőkockákhoz, a kutatók is szeretnék a gének részeit összekapcsolni.

Egy gén különböző funkcionális egységekből áll. Például a génszekvencia elején található a nevezett promóter. „Ő irányítja a gén aktivitását, és biztosítja, hogy csak egy bizonyos mennyiségű fehérje képződjön, vagy hogy a gén csak egy bizonyos ideig olvasható legyen” – mondja Dr. Michael Schroda, aki a Kaiserslautern-i Műszaki Egyetemen (TUK) az „Molekuláris Biotechnológia és Rendszerbiológia” tanszék vezetője.

A csapat Schroda vezetésével azon dolgozik, hogy a géneket ezeket az egységeket bontsák részekre. A promóter mellett van egy olvasási terület, amely a genetikai információt tartalmazza, és sok funkcionális blokkra osztható: például olyanokra, amelyek egy fehérjét bizonyos sejtrészekbe irányítanak, világítani teszik, vagy amelyekkel könnyen kivonhatók a sejtek extraktumaiból. Van egy stop szakasz is, ahol az olvasás véget ér. „Célunk, hogy ezeket az egységeket különböző génekből bármikor kombinálhassuk” – folytatja a professzor.

A jelenlegi tanulmányban az nemzetközi kutatócsoport, köztük Schroda és a Kaiserslautern-i kollégája, Dr. Felix Willmund juniorprofesszor munkacsoportja sikerült egy 119 genetikai funkcióegységből álló készletet létrehoznia a zöldalga, a Chlamydomonas reinhardtii számára. Hasonlóan a Lego-kockákhoz, ezeket a genetikai építőelemeket könnyen össze lehet rakni. „Ez azért lehetséges, mert ezek az egységek szabványosítottak. Mindegyik végén meghatározott szekvenciák találhatók, így meghatározott sorrendben összerakhatók” – magyarázza a Kaiserslautern-i biológus.

A tanulmány különlegessége, hogy az algáról egy magasabb szervezet, egy eukarionta, azaz egy komplexebb szervezet típusáról van szó. Eddig ilyen építőelemek inkább alacsonyabb szervezetekhez, például baktériumokhoz készültek. „A zöldalga sokkal összetettebb, például több géppel rendelkezik” – mondja Willmund, aki az eukarionták genetikai kutatásával foglalkozik. „De ugyanúgy, mint a baktériumok, nagyon gyorsan szaporodik, ami az ipari termelés szempontjából is érdekes.”

A zöldalgák például mikrogépként alkalmazhatók. „A génkészlettel viszonylag rövid idő alatt különböző fehérjéket lehet előállítani, például színpigmenteket vagy orvosi hatóanyagokat” – mondja Willmund. De az alapkutatásban is érdekes a módszer. „Ezzel könnyen át tudjuk alakítani a anyagcsere-utakat, és pontosabban vizsgálhatjuk őket” – például Schroda említi.

Schroda a Szintetikus Biológia területén kutat. Ez a viszonylag fiatal kutatási terület többek között arról szól, hogy új biológiai rendszereket hozzanak létre, és az mérnöki tudományokból származó ismereteket molekuláris folyamatokra alkalmazzák.

Emellett szabványokat és normákat is meghatároznak, például a génkészletek végén. Ezáltal ezek moduláris egységekként könnyen kezelhetők és bármikor kombinálhatók.

A kutatásokat a „Sonderforschungsbereich (SFB Transregio TRR175) – A Zöld Központ – A kloroplasztisz mint a növények alkalmazkodási központja” című programban végezték. Ezt a Német Kutatási Központ (DFG) 2016 óta támogatja. A kutatócsoportok Berlinből, Potsdam-Golm-ból, Münchenből és Kaiserslauternből vizsgálják, hogyan tudnak a növények alkalmazkodni a változó környezeti feltételekhez.

A tanulmányban a Kaiserslautern-i kutatókon kívül francia, angol, dán, spanyol és bielefeld-i kollégák is részt vettek. A munka a rangos „ACS Synthetic Biology” szaklapban jelent meg: „A fotoszintetikus váz kialakulása: a MoClo eszközkészlet lehetővé teszi a szintetikus biológia alkalmazását a mikroalga, a Chlamydomonas reinhardtii esetében”

DOI: 10.1021/acssynbio.8b00251