Sintezna genomika se seli v evkariontski svet

Novica ni ravno sveža (članek je izšel v reviji Nature 22. septembra), je pa zanimiva. Ameriški raziskovalci, večinoma z Univerze Johns Hopkins, so se lotili spreminjanja genoma kvasovke Saccharomyces cerevisiae. Doslej pa so na področju sintezne genomike delali predvsem z bakterijami, virusi in plazmidnimi vektorji, tokrat pa gre za doslej največji poseg v genom kakšnega evkarionta.

Kvasovka ima sicer 16 kromosomov, kljub temu pa je seštevek njihovih dolžim le približno trikrat večji od dolžine enega samega krožnega kromosoma najbolj raziskane bakterije Escherichia coli. Kromosomi so po obliki podobni kot pri vseh ostalih evkariontih - na mestu, kjer se stikata dve kromatidi (oznaka 1 na spodnji sliki), je centromer (2), od tu pa proti koncu kromosoma (telomeru) govorimo o ročicah oziroma rokah. Ker je centromer le redko v sredini kromosoma, so ročice na eni strani centromera kratke (3), na drugi strani pa dolge (4).

 (vir slike: Wikipedia)

Sintezni biologi so tokrat izbrali dva kromosoma kvasovke: pri IX. kromosomu, ki ima najkrajšo kratko ročico, so naravno zaporedje te ročice nadomestili s približno 91.000 baznimi pari sintezne DNA, pri VI. kromosomu pa so zamenjali samo približno 30.000 baznih parov na koncu kromosoma, torej v telomerni regiji.

Zakaj bi se sploh kdo odločil, da bi zamenjal dele kromosomov, ki sicer čisto v redu delujejo? Kot zagotavljajo avtorji, gre za dokaz koncepta, da je mogoče dele genoma spremeniti na način, da bo genom bolj pripraven za nadaljnje spremembe v smeri bolj uporabnega organizma. Izhajali so iz treh osnovnih idej: fenotip organizma mora ostati čimbolj podoben divjemu tipu, izrezati je treba destabilizirajoča zaporedja (transpozone in gene za tRNA) in zagotoviti je treba, da bo genom dovolj fleksibilen, da bo omogočal nadaljnje spremembe in analize.

Spremembe, ki so jih uvedli, so torej številne: odstranili so retrotranspozonska zaporedja, ponovitve v bližini telomerov (za katere ni znano, da bi imeli kakšno pomembno funkcijo), introne (kvasovka ima v celotnem genomu samo 285 intronov), gene za tRNA (teh je 275 za vsega 42 različnih tRNA) želijo preseliti na posebno mesto v genomu, ker je zanje znano, da predstavljajo labilna mesta, vse stop-kodone TAG bi nadomestili s TAA (to pa zato, da bi TAG reprogramirali, da bi lahko zapisoval za kakšno dodatno aminokislino v proteinih), vstavili bi nova klonirna mesta (ta rabijo tudi za sestavljanje dolgih odsekov iz koščkov, dolgih 750 bp) in zaporedja (dolžine < 10 bp), ki predstavljajo mesta za analizo in razlikovanje med sinteznim in naravnim genomskim zaporedjem. Pomembna dodana zaporedja so tudi mesta loxP, ki so jih vstavili na konce nebistvenih genov in na mestih razlikovanja med genomi. Ta mesta omogočajo enostavno izrezovanje delov genoma in prenose delov genoma - pri tem uporabijo encim rekombinazo Cre-, sledila pa bi selekcija tako mutiranih kvasovk in izbor tistih z novimi lastnostmi. Praviloma pa niso spreminjali vrstnega reda genov na kromosomu in razen intronov niso izrezovali nekodirajočih delov genoma, saj so se želel izogniti morebitnemu negativnemu vplivu na celični fitnes.

Rezultat raziskave je bil načeloma pozitiven, saj so kvasovke s sintezno kratko ročico IX. kromosoma in delno sinteznim odsekom VI. kromosoma kazale normalno sposobnost preživetja, hkrati pa so bile pripravljene za nadaljnje spremembe genoma.

Nobelova za fiziologijo imunologom

Začela se je sezona razglašanja Nobelovih nagrajencev. Prvi so nagrajenci za področje fiziologije oziroma medicine in ravno danes so objavili imena dobitnikov letošnje nagrade. To so trije imunologi: Bruce A. Beutler, Jules A. Hoffmann in Ralph M. Steinman. Prva dva sta si prislužila polovico nagrade za raziskave procesa aktivacije prirojenega imunskega sistema, Steinman (ki je umrl pred tremi dnevi) pa za raziskave vloge dendritičnih celic pri pridobljenem (adaptivnem) imunskem odgovoru.

Hoffmann in Beutler sta do ključnih odkritij prišla v drugi polovici devetdesetih let. Jules Hoffmann je raziskave opravil na vinskih mušicah, ki imajo bistveno bolj preprost imunski sistem od sesalcev. Opazil je, da mušice z mutacijo v genu Toll, ki so ga pred tem povezovali z embrionalnim razvojem, zelo hitro zbolijo za bakterijskimi in glivnimi okužbami, ostale pa ne. Gen je zapisoval za protein, za katerega je predpostavil, da sodeluje pri prepoznavanju tujkov. Ključni članek je izšel leta 1996.

Bruce Beutler je raziskoval imunski odgovor pri miših. Zanimalo ga je predvsem, kako lahko pri sesalcih pride do nastanka sepse, za katero je bilo znano, da jo lahko sprožijo lipopolisaharidi, sestavine bakterijskih zunanjih membran. Raziskave so pokazale, da nekatere miši nikoli ne razvijejo sepse in vse te miši so imele okvaro v genu, podobnem Toll-u. Delo je bilo objavljeno leta 1998, obe omenjeni raziskavi pa sta sprožili val nadaljnjih raziskav prirojene odpornosti, to je tiste veje imunskega sistema, ki ne deluje na osnovi topnih protiteles, pač pa imunost posredujejo posebne celice, ki prepoznajo tujke in jih uničijo. Sepsa je bila tema prve slovenske študentske ekipe, ki je zmagala na tekmovanju iz sintezne biologije leta 2006, hkrati pa gre za raziskovalno področje, ki ga je pri nas vpeljal prof. Jerala s Kemijskega inštituta.

Ralpha Steinmana so nagradili za odkritje iz leta 1973, ko je opisal dendritične celice. Ugotovil je, da so sposobne aktivirati limfocite T, ti pa imajo pomembno vlogo pri razvoju imunskega spomina. Njegove kasnejše raziskave so pokazale, da je za aktivacijo z dendritičnimi celici ključno to, da dobivajo kemične signale od celic prirojenega imunskega sistema.

Biološka znanost in družba v Ljubljani

Zavod Republike Slovenije za šolstvo letos že peto leto organizira izobraževanje učiteljev (predvsem) biologije z nadnaslovom Biološka znanost in družba, poudarek letošnjega posveta pa bo na integraciji procesov od celice do ekosfere. Vabljeni so tudi ostali, ki jih te teme zanimajo.

Med tujimi predavatelji so v ospredje postavili britansko fiziologinjo Frances Ashcroft, ki bo govorila o ionskih kanalih in diabetesu, torej o temi, ki najbolj označuje njeno raziskovalno pot. Prav v času njenega obiska v Sloveniji bo izšel tudi slovenski prevod njene knjige Življenje v skrajnostih, umetnost preživetja. Prevod je založil kar Zavod RS za šolstvo, kar je morda malo nenavadno, saj ne gre za šolsko knjigo. Knjigo založniki predstavljajo kot svetovno uspešnico, v Amazonovi trgovini pa jo danes najdemo na 651.220. mestu (in na 42. mestu med knjigami s področja športnih ved).

V najavi gostov so organizatorji izpostavili še ruskega genetika Viktorja Ščerbakova, ki se sicer ukvarja z bakterijsko genetiko, lani pa je v reviji Biology Direct objavil članek, v katerem utemeljuje holistično gledanje, da je 'spolna vrsta' najvišja oblika biološkega obstoja in vzporedno razlaga evolucijski pomen spolnega razmnoževanja, ki je ne samo način boja proti izumrtju, pač pa tudi proti evoluciji sami.

Tretje veliko ime dvodnevnega seminarja je po mnenju organizatorjev ameriška fiziologinja Margaret McCarthy, ki bo predavala o tem, zakaj in kako nastanejo razlike v razvoju možganov pri moških in ženskah. Različen razvoj je posledica različne izpostavljenosti hormonov v razvoju zarodka.

Razen omenjenih tem bo na posvetu še več drugih, od proteinov kot nosilcev življenja do združb v gozdnih tleh in do pravice do javne rabe uma. Če teme koga zanimajo in ima čas 6. in 7. oktobra, naj se čim prej prijavi.

Celične kulture in patenti v Gei

Oktobrska številka revije Gea prinaša kot osrednjo temo celične kulture. Predstavljeni bodo trije članki: o zgodovini gojenja celic v laboratoriju in o koristnih spoznanjih in zdravilih, ki so jih razvili ob uporabi celičnih kultur pišeta mikrobiolog Uroš Jamnikar in dr. Miroslav Petrovec, moj prispevek pa govori o patentiranju genov in celičnih linij.

Članki v Gei bodo izšli skoraj sočasno z izidom slovenskega prevoda knjige Rebecce Skloot "Nesmrtno življenje Henriette Lacks". V  njej avtorica pripoveduje zgodbo, povezano s celično linijo HeLa, ki izhaja iz biopsije, opravljene leta 1951, torej pred 60 leti.

Na kratko je zgodovino in pomen celic HeLa prikazal Sašo Dolenc v sestavku na Kvarkadabri pred petimi leti - vsekakor gre za zanimivo zgodbo iz sveta znanosti iz ne tako davne preteklosti. Čeprav danes celice HeLa niso več povsem v ospredju, ko gre za raziskovalno in razvojno delo, pa so izredno pomembne kot izhodišče za razvoj drugih celičnih kultur.

Okuženi komarji - zdravi ljudje

Pik komarja je zoprna zadeva. Če se to zgodi v tropih, pa je lahko tudi nevarna. Komarji prenašajo več bolezni - verjetno najbolj znana je malarija, saj se z njo okuži vsako leto četrt milijarde ljudi, en milijon ljudi pa zaradi malarija umre. Medtem ko malarijo prenaša parazitski enoceličar, plazmodij, ki se naseli v jetrnih celicah in v eritrocitih, pa bolezen dengo povzroča virus. Povzročitelj bolezni pri človeku torej pride iz komarja. Plazmodij živi v komarjevi slini, virus pa iz okuženih komarjevih celic prav tako pride v slino in po piku vstopi v človeški organizem.

Čeprav denga ni tako smrtna bolezen kot je malarija, mora vsako leto približno pol milijona ljudi v bolnišnico, saj se lahko pojavi hujša oblika bolezni. Ker cepivo proti dengi ni na voljo (tudi proti malariji ne), se proti dengi poskušajo boriti na druge načine.

Avstralski raziskovalci so izvedli poskus v naravi. Najprej so v laboratoriju prenašalce denge, komarje iz rodu Aedes, okužili z bakterijo Wolbachia. To so naredili načrtno, saj so že več let nazaj ugotovili, da s to bakterijo okuženi komarji niso dovzetni za okužbo z virusom denge. Zanimivo je, da nihče ne ve, zakaj Wolbachia lahko prežene dengo. Obstajata vsaj dve teoriji: prva pravi, da volbahija vzpodbudi imunski odgovor komarja proti virusu, druga pa, da volbahija odtegne virusu maščobno kislino, ki jo virus nujno potrebuje. 

Čeprav so komarji v naravi lahko okuženi z volbahijo, se okužba prenaša iz generacije v generacijo tako, da se okužijo že jajčne celice in preko teh zarodki. V laboratoriju je sicer mogoče z bakterijo okužiti posamezne komarje, a okužba se ne prenaša na naslednje rodove. Avstralski znanstveniki pa so zdaj razvili postopek, s katerim lahko okužijo zarodne celice komarja Aedes aegypti. Najprej so volbahijo namnožili v vinski mušici, potem so iz nje izolirali okužene celice in jih gojili v kulturi. Nato so jih injicirali v zarodno tkivo komarjevih embrijev. Okužile so se celice, iz katerih so se kasneje razvili spolni organi. Na tak način je bilo mogoče okužbo z volbahijo prenesti na naslednje generacije komarjev, komarji pa se niso okužili z dengo.

V laboratoriju okužene komarje so namnožili, potem pa so jih v 10 tednih sprostili v naravo v dveh manjših mestih (kjer je sicer pojavnost denge dokaj nizka). Sprostili so jih več kot 100.000, nato pa so več mesecev spremljali, kakšen delež komarjev, ki jih ujamejo v naravi, je okužen z volbahijo. Ugotovili so, da so postopno okuženi komarji prevladali in s tem praktično izpodrinili komarje, ki prenašajo dengo. Tako dober uspeh širjenja komarjev z vobahijo je bilo mogoče doseči samo s posebnim trikom, ki si je tudi zaslužil objavo (1, 2) v reviji Nature (24. avgusta). 

Če se samica, ki ni okužena z volbahiijo, pari s samcem, ki je okužen, se jajčne celice ne morejo razvijati in se torej neokuženi potomci ne morejo razviti. Do tega pride zaradi takoimenovane nekompatibilnosti citoplazme. Okužene samice pa okužbo prenesejo na potomce, zato se po nekaj generacijah tako poveča delež okuženih komarjev v populaciji. Kot rečeno, z vobahijo okuženi komarji ne prenašajo denge. Ker volbahija za človeka ni nevarna (je parazit samo za členonožce), so z bakterijo okuženi komarji zelo verjetno dobra smer v boju proti okužbam, ki jih prenašajo komarji.

Raziskovalci menijo, da bi bilo na podoben način mogoče rešiti tudi problem malarije, ki jo prenašajo komarji iz drugih rodov. Vendar zaenkrat še ni podatkov, ali se je v obeh avstralskih mestih res zmanjšala obolevnost za dengo, saj je tam kliničnih primerov dokaj malo, zato bo za natančnejše podatke potrebnega še nekaj časa.

Novico povzemam po spletni objavi na portalu revije The Scientist.

BIO poklici

Tole prevzemam vsaj v enem delu od kolega Franca, ki je na svojem blogu prejšnji teden objavil povezavo do ameriške strani ScienceBuddies, na kateri predstavljajo strokovne, inženirske in znanstvene poklice. Razen poklica mikrobiologa so tam predstavljeni še biokemiki, bioinformatiki, biologi in nekateri drugi poklici, za katere na univerzitetni stopnji pri nas ni možnosti študija, lahko pa posebna znanja pridobite na magistrski in doktorski stopnji.

Že malo pozornejši pogled na predstavitve BIO poklicev pokaže, da so vede o življenju res precej prepletene med seboj, saj se na primer z razvojem novih zdravil ukvarjajo številni raziskovalci, pač vsak s svojega stališča. Prav tako je z iskanjem povzročiteljev bolezni. Eni gledamo bolj na ravni molekul, drugi na ravni celic ali organizmov. Do končnih spoznanj pa ne more nihče priti sam.

Vseh ameriških podatkov seveda ni mogoče direktno prenesti v slovensko okolje. Recimo podatki o plačah so zelo relativni, zanimiva pa so predvidevanja o trendih zaposlovanja. Za biokemike in bioinformatike predvidevajo 14-20 % hitrejše zaposlovanje od povprečja, za mikrobiologe 7-13 %, medtem ko za biologe računajo na trend, ki bo enak povprečju ostalih poklicev.

Čeprav so podatki narejeni na osnovi trga dela v ZDA, pa predstavitve poklicev podajajo nekatere zanimive podatke za tiste, ki še razmišljate o tem, kaj boste v življenju počeli.

ScienceBuddies sicer predvsem motivira srednješolce in jih usmerja v raziskovalne počitniške projekte.

New York vabi univerze

Newyorški župan je na poslovni konferenci o prihodnosti mesta (19.7.) nagovoril udeležence in v svojem govoru omenil, da je mestna uprava objavila poziv univerzam, da kandidirajo za gradnjo novega univerzitetnega središča, ki bi pokrivalo področja znanosti (naravoslovja) in inženirstva.

Za novo visokošolsko središče bo mesto zagotovilo brezplačno mestno zemljišče in še do 100 milijonov USD sredstev, ki jih bo vložilo v infrastrukturo. Razlog, zakaj so se odločili za tako donacijo, je preprost. Kot je povedal župan Bloomberg, se mesto zaveda, da so univerze zelo pomembne za prihodnost mesta.

Zanimanje za gradnjo novih univerzitetnih stavb so izrazile številne ameriške univerze, pa tudi nekatere univerze iz drugih delov sveta. Tako si mesto obeta, da bo s svojim vložkom prišlo do vrhunske inštitucije (ki bo gotovo vložila več sto milijonov svojih sredstev), prišli bodo dobri učitelji in raziskovalci, v mesto pa bodo s tem privabili najsposobnejše študente, ki bodo morda po zaključku študija pomagali podjetjem iz okolice k hitrejšemu razvoju. Predvidevajo namreč, da naj bi v 30 letih po izgradnji nove univerze mesto dobilo 400 spin-off podjetij in 22.000 stalnih delovnih mest.

Seveda se pri tem ponuja primerjava s Slovenijo in Ljubljano. Tako kot je New York največje ameriško univerzitetno mesto (s približno 600.000 študenti), tako je Ljubljana (s približno 55.000 študenti) največje v Sloveniji. Mislim, da ne bom dočakal dne, ko bo Ljubljana univerzi (kateri koli naravoslovni ali inženirski) ponudila zemljišče in nekaj milijonov evrov samo za to, da bi zagotovila meščanom boljšo prihodnost...