Tidigare i år kom det rubriker om artificiellt liv. Det var Daniel Gibson & co, under ledning av Craig Venter, kanske den moderna biologins mest kända ansikte (med viss rätt — de organisationer han leder gör coola projekt och han är en rätt kul talare) som publicerade en artikel om den första cellen med ett helt syntetiserat genom. Det är en extremt imponerande insats, men om vad det betyder i övrigt tvista de lärde (med flera). Det ska vi inte heller ge något uttömmande svar på, utan  fördjupa oss lite i hur det gick till.

För de som har tillgång till prenumerationer finns artikeln att läsa här. Lyssna annars på Venter.

Synthetic biology är ett modeuttryck för tillfället, låt oss skriva syntetbiologi på svenska. Inte för att ge sig på definitionsdiskussionen, men låt oss helt enkelt kalla det en uppdaterad variant av bioteknik — inte alls hela vägen, men ännu ett steg närmare att kunna bygga och bygga om biologiska system efter eget huvud. Det är nämligen inte helt lätt, om nu någon undgått att märka det. Biologiska system är, för att använda Drew Endys uttryck, inte byggda för att vara lätta att förstå och förändra. De är strängt taget inte byggda alls, utan har blivit till genom en lång, irrationell och nyckfull evolutionsprocess. Även om jag vet att mina ingenjörskompisar tvivlar på det ibland — hur kontraintuitiva och illa dokumenterade tekniska system än är så är de ändå konstruerade av ett (mer eller mindre) intelligent människosinne

Drew Endy nämner syntesen av långa DNA-strängar som en central teknik — och det är precis det den här artikeln excellerar i. DNA, vår och alla andra organismers stabila lagringsmedium för ärftlig data, är nämligen i grund och botten en väldigt lång sockermolekyl, som kan framställas på kontrollerad syntetisk väg. Det är alltså det som är syntetiskt i den syntetiska cell Gibson & co har framställt — den första mallen för dess arvsmassa har tillverkats i en DNA-syntesmaskin.

De började med genomsekvensen från bakterien Mycoplasma mycoides. Problemet är att även om DNA-syntesen blivit bättre med tiden går det fortfarande inte att göra en hel kromosom (ens en bakteriekromosom från Mycoplasma) i ett stycke. De korta syntetiska DNA-strängarna måste sättas samman på något sätt. Här börjar en katten på råttan, råttan på repet-kedja:

De använde jästceller för att sätta ihop sina DNA-bitar, ”kassetter”, till 10 kb långa bitar, som sedan odlades i E. coli, och sekvenserades för att kontrollera att det blivit rätt. Tillbaka till jästcellerna, för att skapa 100 kb långa DNA-bitar. De gick inte att odla i E. coli, så här fick DNA:t isoleras direkt från jästen. En omgång kvalitetskontroll till, den här gången med PCR, alltså DNA-kopiering i provrör, för att försäkra sig om att alla 10 kb-bitar kommit med.

För att till slut sätta ihop hela kromosomen fick de rena fram 100 kb-bitarna från jästens egna kromosomer och sätta in dem i jästceller igen, för att klistras ihop. Kvalitetskontroll med PCR ännu en gång, för att se att alla delarna var på plats och kom i rätt ordning. En lycklig klon vid namn sMmYCp235 (!) innehöll ett rätt sammansatt DNA.

Puh. Nåväl, en DNA-sträng i all ära, hur lång den en är så gör den ingen organism. Ett genom i sig gör inte ett dyft. Den tredje byggstenen i arbetet är alltså genomtransplantation, att ta en levande cell och byta ut dess genom mot det nybyggda. Mottagarcellen var en annan art av Mycoplasma — M. capricolum. Celler är mycket måna om att inte få in oönskat DNA, för det tyder oftast på en virusinfektion. Ett sätt för bakterier att skydda sig är att ha så kallade restriktionsenzymer som bryter ner främmande DNA. Mottagarcellen uppfattar, med all rätt, DNA som kopierats i jästceller som främmande och därför använde de en stam av M. capricolum där de slagit ut restriktionssystemet.

Genomet är alltså syntetiskt såtillvida att molekylen syntetiserats av en maskin och monterats med hjälp av diverse påhittiga knep. Vad gäller den information de lagt in i genomet, så är den en exakt kopia av genomet från Mycoplasma mycoides. Med några skojiga undantag.

Hur vet vi att det är en artificiellt syntetiserad kromosom? Skaparna har klottrat sina namn. På fyra har de bytt ut olika delar av M. mycoides-genomet mot sekvenser som de själva skrivit, som de kallar vattenmärken. Delarna som tagits bort är saker som cellen klarar sig utan, i alla fall i de bekväma laboratorieförhållanden där den lever.

För att försäkra sig om att cellerna verkligen hade det transplanterade genomet kopierade de upp sina vattenmärken med PCR. De sekvenserade också genomet från en av transplantationerna och gjorde sig en bild av vilka proteiner den producerar — ett mönster som liknar det transplanterade genomet, inte mottagarcellens.

DNA-sekvensen från den transplanterade cellen visade att inte ens en konstruerad kromosom slipper undan evolutionen. Genomet ifråga har dragit på sig några mutationer, och de är en så snygg illustration av evolution att de måste radas upp i detalj. Enligt artikeln bär genomet på 8 SNPs (Single Nucleotide Polymorphism), en duplikation (85 baspar som förekommer två gånger efter varandra) och en E. coli-transposon. De mutationerna verkar inte ha hindrat cellerna från att leva och frodas, men å andra sidan hade de problem med ett enda baspars skillnad, som förstörde en viktig gen.

Pedagogiskt nog är de tre exempel på viktiga typer av mutationer: SNP:arna som vi känner som genetiska markörer, kopievariationerna och de hoppande DNA-elementen (transposonerna) — en sorts störiga gener som inget annat kan än att kopiera sig själva och sätta in sig på olika stället i genomet, något som cellen gör sitt bästa för att förhindra. (Dem borde vi kanske ta upp någon gång.)

Det går alltså att byta Mycoplasma capricolums genom mot ett som satts ihop artificiellt (med massvis av jobb). Vad betyder det? Även synnerligen artificiella experiment med många tekniska steg som närmast liknar biologiska misstag, kan säga oss viktiga saker om hur organismer fungerar. Ta uniparentala disomier, till exempel, något som normalt inte inträffar hos däggdjur. Det öppnar för att kunna göra drastiska förändringar i cellers genom istället för att bara klippa och klistra korta DNA-bitar i ett i övrigt oförändrat bakgrundsgenom — i forsknings- eller tillverkningssyften.

Men låt oss gissa att vanlig molekylär kloning — att sätta in, ta bort eller ändra på en gen i taget — kommer förbli det realistiska sättet att göra transgena organismer än ett tag. När vi kommer till den nivån att vi kan bygga om en fullskalig genomsekvens från grunden kommer det finnas metoder, förmodligen vid det laget betydligt förbättrade, att installera den i en cell.

Litteratur

Gibson DG et al. (2010) Creation of a Bacterial Cell Controlled by a Chemically Synthesized Genome. Science 329 ss. 52-56