นักวิจัยกลุ่มหนึ่งประสบความสำเร็จอย่างที่ไม่เคยเกิดขึ้นมาก่อนด้วยการปรับเปลี่ยนแบคทีเรียให้ทำงานได้เต็มที่ด้วยกรดอะมิโนเพียง 19 ชนิด โครงสร้างของสิ่งมีชีวิตทั้งหมดที่เรารู้จักบนโลกนั้นขึ้นอยู่กับชุดมาตรฐานจำนวน 20 บล็อคส่วนประกอบเหล่านี้ การทดลองนี้เปลี่ยนความเข้าใจเรื่องความแข็งแกร่งของรหัสพันธุกรรม เซลล์ที่ถูกดัดแปลงสามารถสืบพันธุ์ได้โดยไม่เกิดความล้มเหลวในการเผาผลาญ วิทยาศาสตร์ถือว่ามาตรฐานทางเคมีนี้เป็นกฎธรรมชาติที่สมบูรณ์มานานหลายทศวรรษ ความสำเร็จของการแทรกแซงเปิดบทใหม่ของชีววิทยาระดับโมเลกุล
การกำจัดส่วนประกอบที่ถือว่าจำเป็นจำเป็นต้องมีการเขียนโปรแกรมซ้ำที่ซับซ้อนของสารพันธุกรรมของจุลินทรีย์ นักวิทยาศาสตร์จำเป็นต้องปิดการใช้งานคำสั่งเฉพาะใน Messenger RNA เพื่อป้องกันไม่ให้ระบบเซลลูลาร์ล่มสลาย ผลลัพธ์ที่ได้แสดงให้เห็นถึงความยืดหยุ่นที่คาดไม่ถึงในโครงสร้างพื้นฐานของชีวิต ห้องปฏิบัติการเทคโนโลยีชีวภาพกำลังประเมินผลกระทบของเทคนิคนี้ในการสร้างสิ่งมีชีวิตสังเคราะห์เพื่อใช้ในอุตสาหกรรม ความสามารถในการเขียนคู่มือการใช้งานทางชีววิทยาใหม่ถือเป็นเครื่องมืออันทรงพลังสำหรับวิทยาศาสตร์สมัยใหม่
ระเบียบวิธีที่ใช้เพื่อแยกซีรีนออก
เป้าหมายหลักของการเปลี่ยนแปลงทางพันธุกรรมที่ดำเนินการโดยผู้เชี่ยวชาญคือซีรีน นักวิจัยได้ปิดบังยีนที่รับผิดชอบในการสังเคราะห์กรดอะมิโนจำเพาะนี้ภายในสิ่งมีชีวิตที่ถูกดัดแปลง เครื่องจักรเซลลูลาร์ต้องได้รับการปรับอย่างละเอียดโดยไม่สนใจโคดอนที่ปกติจะต้องมีสารอยู่ด้วย กระบวนการนี้ต้องการความแม่นยำในการผ่าตัดในการเรียงลำดับ DNA ของแบคทีเรีย ข้อผิดพลาดในการแก้ไขอาจส่งผลให้อาณานิคมที่อยู่ภายใต้การสังเกตเสียชีวิตทันที การวางแผนหลีกเลี่ยงการหยุดชะงักของวิถีเมแทบอลิซึมที่สำคัญ
แบคทีเรียนี้ผ่านการทดสอบเชิงสังเกตอย่างเข้มงวดมาหลายรุ่นติดต่อกัน วัตถุประสงค์หลักคือการยืนยันว่าการปรับตัวเชิงโครงสร้างจะยังคงมีเสถียรภาพอยู่ตลอดเวลาหรือไม่ จุลินทรีย์ยังคงทำหน้าที่สำคัญอย่างต่อเนื่องอย่างสม่ำเสมอ การไม่มีซีรีนไม่ได้ป้องกันการก่อตัวของโปรตีนที่จำเป็นต่อการอยู่รอดของเซลล์และการเพิ่มจำนวน พันธุกรรมของการแก้ไขพิสูจน์ให้เห็นว่าการเปลี่ยนแปลงไม่ได้ก่อให้เกิดเหตุการณ์โดยบังเอิญหรือชั่วคราว
ผลกระทบโดยตรงต่ออุตสาหกรรมเทคโนโลยีชีวภาพ
การลดความซับซ้อนของรหัสพันธุกรรมจะดึงดูดความสนใจทันทีจากบริษัทต่างๆ ที่มุ่งเน้นการผลิตทางชีวภาพขนาดใหญ่ จุลินทรีย์ที่ทำงานโดยใช้ส่วนประกอบน้อยกว่าต้องการสารอาหารในการเจริญเติบโตน้อยกว่ามาก คุณลักษณะนี้ช่วยลดต้นทุนการดำเนินงานในโรงงานชีวภาพขนาดใหญ่ที่กระจายอยู่ทั่วโลก การใช้พลังงานของเซลล์ยังแสดงให้เห็นการลดลงอย่างมากในระหว่างกระบวนการหมักทางอุตสาหกรรม ประสิทธิภาพการใช้พลังงานเปลี่ยนแบคทีเรียเหล่านี้ให้กลายเป็นเครื่องมือที่ทำกำไรได้สูงสำหรับภาคการผลิต
สิ่งมีชีวิตที่ออกแบบใหม่มีศักยภาพมากมายในการเพิ่มประสิทธิภาพการผลิตสารประกอบเชิงพาณิชย์ที่จำเป็นหลายชนิด อุตสาหกรรมยาวางแผนที่จะใช้เมทริกซ์เซลล์แบบง่ายเหล่านี้ในการผลิตยาและเอนไซม์ที่มีมูลค่าเพิ่มสูง การสร้างเชื้อเพลิงทางเลือกและวัสดุที่ไม่ย่อยสลายทางชีวภาพเป็นสิ่งที่ต้องคำนึงถึงในการใช้งานจริงอย่างแน่นอน การควบคุมเมแทบอลิซึมของเซลล์อย่างสมบูรณ์รับประกันประสิทธิภาพการผลิตที่สูงกว่าวิธีการสกัดแบบดั้งเดิม ความแม่นยำในการสังเคราะห์โมเลกุลที่ซับซ้อนช่วยลดการสูญเสียวัตถุดิบ
มุมมองเรื่องกำเนิดและวิวัฒนาการของชีวิต
การทำงานของสิ่งมีชีวิตที่มีกรดอะมิโน 19 ชนิดทำให้เกิดคำถามอันลึกซึ้งเกี่ยวกับรูปแบบแรกของสิ่งมีชีวิตบนโลก ชีววิทยาดึกดำบรรพ์อาจเริ่มต้นวิถีวิวัฒนาการด้วยการสร้างบล็อคจำนวนน้อยมาก ความซับซ้อนในปัจจุบันโดยอิงจากองค์ประกอบ 20 อย่างดูเหมือนจะเป็นผลมาจากโอกาสทางวิวัฒนาการที่สั่งสมมาเป็นเวลาหลายพันล้านปี ธรรมชาติแสดงให้เห็นถึงความอดทนอย่างน่าทึ่งต่อการจัดเตรียมสารเคมีทางเลือก สิ่งมีชีวิตบนบกชนิดแรกอาจดำเนินการด้วยอักษรพันธุกรรมสมัยใหม่เพียงเล็กน้อย
การกำหนดมาตรฐานของรหัสพันธุกรรมถือเป็นกฎเกณฑ์ที่ไม่เปลี่ยนแปลงโดยชุมชนวิทยาศาสตร์ทั่วโลกมาโดยตลอด การอ่านค่า DNA และการรวมตัวของโปรตีนที่ตามมาเป็นไปตามเส้นทางสากลจากแบคทีเรียสู่มนุษย์ การทดลองในปัจจุบันได้ทำลายกระบวนทัศน์ทางประวัติศาสตร์นี้ด้วยการพิสูจน์ว่าความซ้ำซ้อนของโมเลกุลทำให้เกิดนวัตกรรมทางโครงสร้างที่รุนแรงได้ วิวัฒนาการใช้ความเก่งกาจของระบบเพื่อรับประกันการคงอยู่ของสายพันธุ์ในสภาพแวดล้อมที่ไม่เป็นมิตรและเปลี่ยนแปลงได้ ชีววิทยาเผยให้เห็นสถาปัตยกรรมที่มีพื้นฐานมาจากการปรับตัวอย่างต่อเนื่อง
ขั้นตอนต่อไปและความท้าทายสำหรับการวิจัยทางพันธุกรรม
วิศวกรรมสิ่งมีชีวิตที่เรียบง่ายสร้างขอบเขตใหม่สำหรับการศึกษาในห้องปฏิบัติการขั้นสูง การนำสารประกอบเทียมโดยสมบูรณ์เข้าสู่จีโนมถือเป็นวัตถุประสงค์หลักถัดไปสำหรับนักวิจัยในสาขานี้ โปรตีนที่สร้างขึ้นด้วยองค์ประกอบที่ไม่มีอยู่ในธรรมชาติสามารถนำเสนอคุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมีอย่างที่ไม่เคยมีมาก่อน ความปลอดภัยทางทฤษฎีของขั้นตอนเหล่านี้ได้รับความเข้มแข็งอย่างมากจากผลลัพธ์ล่าสุดที่ได้รับในจานเพาะเชื้อ การสร้างรูปแบบชีวิตที่สังเคราะห์ขึ้นทั้งหมดออกจากวงการนิยายและเข้าสู่การวางแผนทางวิทยาศาสตร์
ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีชีวภาพก่อให้เกิดคำถามทางเทคนิคที่ซับซ้อนซึ่งจะเป็นแนวทางในการทดลองในอนาคตในศูนย์วิจัยหลัก ๆ นักวิทยาศาสตร์พยายามสร้างแผนผังขีดจำกัดที่แน่นอนของการจัดการเซลล์ก่อนที่จะก้าวไปสู่สิ่งมีชีวิตหลายเซลล์ แนวงานวิจัยหลัก ได้แก่ :
- ความเป็นไปได้ในการกำจัดกรดอะมิโนอื่น ๆ ออกจากรหัสพันธุกรรมมาตรฐานโดยไม่ก่อให้เกิดความเสียหายถึงชีวิต
- ขีดจำกัดขั้นต่ำของส่วนประกอบทางเคมีที่จำเป็นในการดำรงชีวิตของแบคทีเรียขั้นพื้นฐาน
- การเปลี่ยนแปลงประสิทธิภาพการเผาผลาญโดยรวมหลังจากการลบแบบเอกสารสำเร็จรูปหลายครั้ง
- การระบุกรดอะมิโนที่ง่ายที่สุดที่จะทดแทนหรือกำจัดในสภาพแวดล้อมของห้องปฏิบัติการ
การบำบัดด้วยยีนเป็นอีกสาขาหนึ่งทางการแพทย์ที่ได้รับประโยชน์โดยตรงจากจีโนมที่มีขนาดกะทัดรัดและสามารถคาดเดาได้ การลดลงของสารพันธุกรรมช่วยลดความเสี่ยงของการกลายพันธุ์แบบสุ่มระหว่างการทดลองได้อย่างมาก นักวิจัยกำลังทดสอบการแก้ไขเวกเตอร์ไวรัสเพื่อให้การรักษาปลอดภัยยิ่งขึ้นแก่ผู้ป่วย การลดความซับซ้อนของเซลล์ช่วยอำนวยความสะดวกในการติดตามอาการไม่พึงประสงค์ในร่างกายที่ได้รับการบำบัดอย่างต่อเนื่อง การจัดการรหัสแห่งชีวิตถึงระดับการควบคุมอย่างที่ไม่เคยมีมาก่อนในประวัติศาสตร์การแพทย์