แบคทีเรียที่สร้างขึ้นจากกรดอะมิโน 19 ชนิดท้าทายกฎพื้นฐานของชีววิทยา

นักวิจัยสามารถทำให้แบคทีเรียทำงานกับกรดอะมิโนเพียง 19 ตัว แทนที่จะเป็น 20 ตัวที่ค้ำจุนสิ่งมีชีวิตทุกรูปแบบ ความสำเร็จนี้ถือเป็นก้าวสำคัญในพันธุวิศวกรรม และตั้งคำถามถึงหลักการที่มั่นคงที่สุดประการหนึ่งของชีววิทยาสมัยใหม่ การทดลองนี้เปิดประตูสู่ความเข้าใจที่ดีขึ้นว่าชีวิตเกิดขึ้นได้อย่างไร และจะออกแบบชีวิตใหม่ได้อย่างไรในห้องปฏิบัติการ

การค้นพบเผยให้เห็นว่ารหัสพันธุกรรมไม่เข้มงวดเท่าที่คิดไว้ นักวิทยาศาสตร์ได้กำจัดกรดอะมิโนมาตรฐาน 1 ตัวจาก 20 ตัวออก และจัดการให้แบคทีเรียผลิตโปรตีนที่ใช้งานได้แม้ไม่มีส่วนประกอบนี้ก็ตาม ผลที่ได้แสดงให้เห็นว่าชีวิตมีความยืดหยุ่นมากกว่าที่วิทยาศาสตร์เคยจินตนาการไว้

การทดลองดำเนินการอย่างไร

นักวิจัยได้กำจัดซีรีนซึ่งเป็นหนึ่งในกรดอะมิโนที่จำเป็น จากนั้นพวกเขาก็ตั้งโปรแกรมรหัสพันธุกรรมของแบคทีเรียใหม่เพื่อไม่ให้พยายามสังเคราะห์โปรตีนนี้ เซลล์สามารถสืบพันธุ์และทำหน้าที่สำคัญได้ตามปกติ การทดสอบกินเวลาหลายชั่วอายุคน เพื่อยืนยันว่าการปรับตัวไม่ได้เกิดขึ้นชั่วคราวหรือไม่ได้ตั้งใจ

กลยุทธ์นี้เกี่ยวข้องกับการดัดแปลง DNA ของแบคทีเรียอย่างแม่นยำ นักวิทยาศาสตร์ได้ปิดการใช้งานยีนที่รับผิดชอบในการผลิตซีรีน และเขียนคำแนะนำสำหรับ Messenger RNA ใหม่ ด้วยวิธีนี้ เครื่องจักรเซลล์ของแบคทีเรียไม่จดจำโคดอนที่โดยปกติจะกระตุ้นให้เกิดการรวมตัวของกรดอะมิโนนี้อีกต่อไป ระบบทำงานตามที่วางแผนไว้ โดยที่เซลล์ไม่ประสบปัญหาการเผาผลาญพังทลาย

ผลกระทบต่อชีววิทยาสังเคราะห์

งานนี้เปิดโลกทัศน์ใหม่สำหรับวิศวกรพันธุศาสตร์ หากสิ่งมีชีวิตสามารถมีชีวิตอยู่ได้ด้วยกรดอะมิโน 19 ชนิด บางทีพวกมันสามารถตั้งโปรแกรมให้ใช้สารประกอบเทียมโดยสมบูรณ์ได้ นักวิจัยกำลังสำรวจความเป็นไปได้ในการสร้างโปรตีนที่มีองค์ประกอบที่ไม่มีอยู่ในธรรมชาติ สิ่งมีชีวิตสังเคราะห์โดยสมบูรณ์อาจมีคุณสมบัติและฟังก์ชันที่ไม่เคยมีมาก่อน

การประยุกต์ใช้ในทางปฏิบัติเป็นมากกว่าความอยากรู้อยากเห็นทางวิทยาศาสตร์ โปรตีนที่ออกแบบเฉพาะสามารถนำมาใช้ในการแพทย์ เภสัชกรรม และเทคโนโลยีชีวภาพได้ สิ่งมีชีวิตที่ออกแบบใหม่สามารถผลิตยา เชื้อเพลิง หรือวัสดุที่ไม่สามารถย่อยสลายทางชีวภาพได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น การควบคุมสิ่งที่เข้าและออกจากรหัสชีวิตทำให้เกิดความแม่นยำอย่างที่ไม่เคยมีมาก่อนในการผลิตทางชีวภาพ

ทำความเข้าใจกับรหัสพันธุกรรมแบบดั้งเดิม

กรดอะมิโน 20 ชนิดที่รู้จักนั้นเป็นพื้นฐานของชีววิทยาทั้งหมด ตั้งแต่แบคทีเรียไปจนถึงมนุษย์ การรวมกันนี้ถือเป็นเรื่องสากล เซลล์อ่าน DNA แปลข้อมูลทางพันธุกรรม และประกอบโปรตีนโดยใช้โครงสร้างเดียวกันนี้ มาตรฐานนี้เป็นพื้นฐานมากจนนักวิทยาศาสตร์หลายทศวรรษมองว่ามาตรฐานนี้ไม่สามารถเปลี่ยนแปลงได้

กรดอะมิโนทำงานเหมือนตัวอักษรในตัวอักษร เช่นเดียวกับตัวอักษรโปรตุเกสที่มี 26 ตัวอักษร รหัสของชีวิตใช้กรดอะมิโน 20 ตัวในการเขียนโปรตีนที่แตกต่างกันนับล้านชนิด แต่ละส่วนผสมจะผลิตโปรตีนที่มีหน้าที่เฉพาะ การลบตัวอักษรออกควรสร้างความวุ่นวายระดับโมเลกุล การทดลองแสดงให้เห็นว่าไม่เป็นเช่นนั้น

Leia Tambem

ลิโอเนล เมสซีกองหน้าต้องการการผ่านบอลเฉียบขาดสองครั้งเพื่อเท่ากับสถิติประวัติศาสตร์ฟุตบอลโลกของเปเล่

จอช จาคอบส์ รันนิ่งแบ็กของทีมกรีนเบย์ แพ็คเกอร์ส ถูกจับในรัฐวิสคอนซิน ฐานใช้ความรุนแรงในครอบครัว

กาเบรียล เฆซุส ปฏิเสธยักษ์ใหญ่ในยุโรป และตัดสินใจอยู่ที่อาร์เซนอลต่อไปเพื่อแสวงหาสถิติประวัติศาสตร์

คำถามที่ยังคงเปิดอยู่

• กรดอะมิโนชนิดอื่นสามารถกำจัดออกในลักษณะเดียวกันได้หรือไม่?
• แบคทีเรียที่มีกรดอะมิโนน้อยกว่า 18 ตัวสามารถอยู่รอดได้หรือไม่?
• ประสิทธิภาพการเผาผลาญลดลงเมื่อกรดอะมิโนถูกกำจัดหรือไม่?
• กรดอะมิโนชนิดใดที่กำจัดออกได้ง่ายที่สุดโดยไม่กระทบต่อชีวิต?

สิ่งที่งานวิจัยนี้เปิดเผยเกี่ยวกับต้นกำเนิดของชีวิต

การค้นพบนี้มีความหมายต่อการทำความเข้าใจว่าชีวิตเริ่มต้นอย่างไร หากรหัสพันธุกรรมไม่ต้องการกรดอะมิโน 20 ตัวพอดี ชีวิตในวัยเด็กอาจใช้กรดอะมิโนชุดที่น้อยกว่าก็ได้ สิ่งมีชีวิตชนิดแรกอาจใช้ส่วนประกอบทางเคมีเพียง 5 หรือ 10 ชิ้นเท่านั้น กว่าพันล้านปี ชีวิตจะเพิ่มความซับซ้อนมากขึ้น ไม่ใช่จากความจำเป็นทางชีวภาพโดยสมบูรณ์ แต่จากโอกาสทางวิวัฒนาการ

มุมมองนี้เปลี่ยนวิธีคิดของนักวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับวิวัฒนาการ มันไม่ใช่ข้อตกลงที่แน่ชัดซึ่งก่อให้เกิดชีวิต แต่เป็นระบบที่ยืดหยุ่นซึ่งสามารถเปลี่ยนแปลงและปรับตัวได้ ความซ้ำซ้อนและความอเนกประสงค์เป็นคุณลักษณะของชีววิทยา ไม่ใช่ข้อยกเว้น ธรรมชาติสร้างรหัสที่ทนต่อการเปลี่ยนแปลง ทำให้เกิดนวัตกรรมโดยไม่ทำลายล้าง

การทดลองในอนาคตสามารถทดสอบสิ่งมีชีวิตด้วยกรดอะมิโน 18, 17 หรือ 10 ตัว การลดลงแต่ละครั้งจะเผยให้เห็นว่าองค์ประกอบใดที่ขาดไม่ได้อย่างแท้จริง และองค์ประกอบใดเป็นเพียงประเพณีเชิงวิวัฒนาการ ความเข้าใจนี้ช่วยให้เราสามารถออกแบบสิ่งมีชีวิตที่เรียบง่าย ซึ่งสามารถทำหน้าที่เฉพาะได้อย่างมีประสิทธิภาพสูงสุด สิ่งมีชีวิตที่มีกรดอะมิโน 10 ชนิดนั้นมีความเป็นไปได้ทางชีวภาพ แต่ธรรมชาติไม่เคยถูกเลือกเพราะว่ามี 20 ชนิดที่ทำงานได้ดี

การใช้งานทางอุตสาหกรรมที่อยู่ระหว่างการพัฒนา

บริษัทเทคโนโลยีชีวภาพกำลังแสดงความสนใจในการค้นพบนี้แล้ว สิ่งมีชีวิตที่คล่องตัวจะมีราคาถูกกว่าในการดูแลรักษา ต้องการสารอาหารน้อยลง และก่อให้เกิดของเสียน้อยลง แบคทีเรียที่มีกรดอะมิโน 15 ​​ตัวจะใช้พลังงานน้อยกว่าแบคทีเรียที่มีกรดอะมิโน 20 ตัว ซึ่งจะช่วยประหยัดค่าใช้จ่ายได้มากในโรงงานชีวภาพขนาดใหญ่ ยา วิตามิน และเอนไซม์สามารถผลิตได้เร็วกว่าและมีค่าใช้จ่ายด้านสิ่งแวดล้อมต่ำกว่า

การบำบัดด้วยยีนก็อาจได้รับประโยชน์เช่นกัน การลดความซับซ้อนของรหัสพันธุกรรมทำให้การนำ DNA ที่ถูกดัดแปลงเข้าสู่เซลล์ของมนุษย์ปลอดภัยยิ่งขึ้น จีโนมที่มีขนาดกะทัดรัดมากขึ้นจะช่วยลดความเสี่ยงของการกลายพันธุ์แบบสุ่ม นักวิจัยทำงานเกี่ยวกับไวรัสเวอร์ชันแก้ไข โดยกำจัดยีนที่เป็นอันตรายในขณะที่ยังคงรักษาความสามารถในการส่งยีนบำบัดได้ การยืนยันว่าสามารถกำจัดกรดอะมิโนออกได้โดยไม่ทำลายเซลล์ทำให้เกิดความแน่นอนทางทฤษฎีสำหรับการทดลองเหล่านี้