Łatwy do łączenia jak klocki Lego – naukowcy opracowują zestaw narzędzi genetycznych dla zielonych alg

Międzynarodowy zespół naukowców pod kierownictwem młodszego profesora Dr. Felixa Willmunda (z lewej) oraz profesora Dr. Michaela Schrody opracował zestaw narzędzi genetycznych do produkcji zielonej algi. (Zdjęcie: Koziel/TUK)

Grafika pokazuje, jak działa zestaw konstrukcyjny. Poszczególne fragmenty genów można łączyć jak klocki Lego. (Zdjęcie: Schroda)

W dziedzictwie komórek jest podobnie jak w fabrykach: geny sterują i regulują produkcję białek. W przemyśle często stosuje się zasadę modułową, w której linie produkcyjne można wymieniać, gdy ma być wytwarzany inny produkt. Również naukowcy pracują nad tym, aby elementy genetyczne, takie jak klocki Lego, łączyć w różne kombinacje. Taką zestaw z 119 jednostek funkcji genetycznych dla zielonej algi stworzył międzynarodowy zespół badaczy z biologami z Kaiserslautern. Z nich można budować miniaturowe fabryki alg, które produkują na przykład pigmenty barwne lub substancje lecznicze. Badanie ukazało się w czasopiśmie naukowym „ACS Synthetic Biology”.

Klocki Lego dostępne są w wielu różnych rozmiarach, kolorach i kształtach. Można je dowolnie łączyć. Podobnie jak te małe elementy, naukowcy chcą także łączyć części genów.

Gen składa się z różnych jednostek funkcji. Na początku sekwencji genetycznej znajduje się na przykład tak zwany promotor. „Kontroluje on aktywność genu i zapewnia, że powstaje tylko określona ilość białka lub że gen jest odczytywany tylko przez określony czas”, mówi profesor dr Michael Schroda, który na Politechnice w Kaiserslautern (TUK) pełni funkcję profesora na kierunku „Biotechnologia molekularna i biologia systemowa”.

Zespół pod kierunkiem Schrody pracuje nad rozbiciem genów na te pojedyncze jednostki. Oprócz promotora istnieje jeszcze obszar odczytu z informacją genetyczną, który można podzielić na wiele funkcjonalnych bloków: na przykład takie, które kierują białko do określonych obszarów w komórce, sprawiają, że świeci, lub które można łatwo wyodrębnić z ekstraktów komórkowych. Istnieje też obszar zatrzymania, w którym kończy się odczyt informacji genetycznej. „Naszym celem jest dowolne łączenie takich jednostek z różnych genów”, dodaje profesor.

W swoim najnowszym badaniu międzynarodowy zespół badaczy, w tym grupy robocze Schrody i jego kolegi z Kaiserslautern, młodszego profesora Dr. Felixa Willmunda, udało się stworzyć zestaw z 119 jednostek funkcji genetycznych dla zielonej algi Chlamydomonas reinhardtii. Podobnie jak klocki Lego, te elementy genetyczne można łatwo łączyć. „Dzieje się tak, ponieważ te elementy są standaryzowane. Zawsze mają określone sekwencje na końcach, co pozwala na ich łączenie w określonej kolejności”, wyjaśnia biolog z Kaiserslautern.

Co jest szczególne w tym badaniu: algi to organizmy wyższe – eukarioty, jak się fachowo mówi. Dotychczas takie zestawy były dostępne głównie dla organizmów niższych, takich jak bakterie. „Zielona alga jest znacznie bardziej skomplikowana i ma na przykład więcej genów”, mówi młodszy profesor Willmund, który bada genetykę eukariotów. „Podobnie jak bakterie, rozmnaża się bardzo szybko, co czyni ją atrakcyjną również do produkcji przemysłowej.”

Algi te mogą na przykład służyć jako mikrofabryki. „Dzięki zestawowi genetycznemu można w stosunkowo krótkim czasie wyprodukować różne białka, od pigmentów po substancje czynne wykorzystywane w medycynie”, mówi Willmund. Metoda ta jest także interesująca dla badań podstawowych. „Dzięki niej możemy łatwo przebudować szlaki metaboliczne i dokładniej je badać”, podaje Schroda jako przykład.

Schroda zajmuje się badaniami w dziedzinie biologii syntetycznej. W tej stosunkowo młodej dziedzinie nauki chodzi między innymi o tworzenie nowych systemów biologicznych i przenoszenie wiedzy z inżynierii na procesy molekularne.

Przy tym ustalane są także standardy i normy, na przykład dotyczące końców jednostek genetycznych. Dzięki temu mogą one służyć jako moduły, które są łatwe w obsłudze i dowolnie łączalne.

Prace te odbyły się w ramach specjalnego obszaru badawczego (SFB Transregio TRR175) „The Green Hub – chloroplast jako centrum adaptacji roślin”, finansowanego przez niemiecką fundację badawczą od 2016 roku. Zespoły badawcze z Berlina, Poczdamu-Golm, Monachium i Kaiserslautern badają, jak rośliny potrafią dostosować się do zmieniających się warunków środowiskowych.

W badaniu brali udział nie tylko naukowcy z Kaiserslautern, ale także koledzy z Francji, Anglii, Danii, Hiszpanii i Bielefeld. Praca ukazała się w renomowanym czasopiśmie naukowym „ACS Synthetic Biology”: „Birth of a photosynthetic chassis: MoClo toolkit enabling synthetic biology in the microalga Chlamydomonas reinhardtii”

DOI: 10.1021/acssynbio.8b00251