Η φυσική εξέλιξη είναι μια αργή διαδικασία που βασίζεται στη σταδιακή συσσώρευση γενετικών μεταλλάξεων. Τα τελευταία χρόνια, οι επιστήμονες έχουν βρει τρόπους να επιταχύνουν τη διαδικασία σε μικρή κλίμακα, επιτρέποντάς τους να δημιουργούν γρήγορα νέες πρωτεΐνες και άλλα μόρια στο εργαστήριό τους.

Αυτή η ευρέως χρησιμοποιούμενη τεχνική, γνωστή ως κατευθυνόμενη εξέλιξη, έχει δώσει νέα αντισώματα για τη θεραπεία του καρκίνου και άλλων ασθενειών, ένζυμα που χρησιμοποιούνται στην παραγωγή βιοκαυσίμων και παράγοντες απεικόνισης για την απεικόνιση μαγνητικού συντονισμού (MRI).

Ερευνητές στο MIT έχουν τώρα αναπτύξει ένα ρομποτική πλατφόρμα που μπορεί να εκτελέσει 100 φορές περισσότερα πειράματα κατευθυνόμενης εξέλιξης παράλληλο, δίνοντας σε πολλούς περισσότερους πληθυσμούς την ευκαιρία να βρουν μια λύση, παρακολουθώντας παράλληλα την πρόοδό τους σε πραγματικό χρόνο. Εκτός από το να βοηθά τους ερευνητές να αναπτύξουν νέα μόρια πιο γρήγορα, η τεχνική θα μπορούσε επίσης να χρησιμοποιηθεί για την προσομοίωση της φυσικής εξέλιξης και την απάντηση σε θεμελιώδεις ερωτήσεις σχετικά με τον τρόπο λειτουργίας της.

“Παραδοσιακά, η κατευθυνόμενη εξέλιξη ήταν πολύ περισσότερο μια τέχνη παρά μια επιστήμη, πόσο μάλλον μια πειθαρχία μηχανικής. Και αυτό παραμένει αληθινό έως ότου μπορέσετε να εξερευνήσετε συστηματικά διαφορετικές μεταθέσεις και να παρατηρήσετε τα αποτελέσματα”, λέει ο Kevin Esvelt, επίκουρος καθηγητής στο Media Lab του MIT. και ο ανώτερος συγγραφέας της νέας μελέτης.

Η μεταπτυχιακή φοιτήτρια του MIT Erika DeBenedictis και η μεταδιδακτορική Emma Chory είναι οι κύριοι συντάκτες της εργασίας, η οποία εμφανίζεται σήμερα στο Μέθοδοι Φύσης.

Ταχεία εξέλιξη

Η κατευθυνόμενη εξέλιξη λειτουργεί επιταχύνοντας τη συσσώρευση και την επιλογή νέων μεταλλάξεων. Για παράδειγμα, αν οι επιστήμονες ήθελαν να δημιουργήσουν ένα αντίσωμα που να συνδέεται με μια καρκινική πρωτεΐνη, θα ξεκινούσαν με έναν δοκιμαστικό σωλήνα εκατοντάδων εκατομμυρίων κυττάρων ζύμης ή άλλων μικροβίων που έχουν κατασκευαστεί για να εκφράζουν αντισώματα θηλαστικών στις επιφάνειές τους. Αυτά τα κύτταρα θα εκτεθούν στην καρκινική πρωτεΐνη με την οποία οι ερευνητές θέλουν να συνδεθεί το αντίσωμα και οι ερευνητές θα επέλεγαν εκείνα που δεσμεύουν καλύτερα.

Οι επιστήμονες θα εισήγαγαν τότε το τυχαίο μεταλλάξεις στην αλληλουχία αντισωμάτων και ελέγξτε ξανά αυτές τις νέες πρωτεΐνες. Η διαδικασία μπορεί να επαναληφθεί πολλές φορές μέχρι να αναδειχθεί ο καλύτερος υποψήφιος.

Πριν από περίπου 10 χρόνια, ως μεταπτυχιακός φοιτητής στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ, ο Έσβελτ ανέπτυξε έναν τρόπο να επιταχύνει την κατευθυνόμενη εξέλιξη. Αυτή η προσέγγιση αξιοποιεί βακτηριοφάγους (ιούς που μολύνουν βακτήρια) για να βοηθήσει τις πρωτεΐνες να εξελιχθούν ταχύτερα προς την επιθυμητή λειτουργία. Το γονίδιο που ελπίζουν να βελτιστοποιήσουν οι ερευνητές συνδέεται με ένα γονίδιο που απαιτείται για την επιβίωση των βακτηριοφάγων και οι ιοί ανταγωνίζονται μεταξύ τους για να βελτιστοποιήσουν την πρωτεΐνη. Η διαδικασία επιλογής εκτελείται συνεχώς, συντομεύοντας κάθε γύρο μετάλλαξης στη διάρκεια ζωής του βακτηριοφάγου (που είναι περίπου 20 λεπτά) και μπορεί να επαναληφθεί πολλές φορές, χωρίς να απαιτείται ανθρώπινη παρέμβαση.

Χρησιμοποιώντας αυτή τη μέθοδο, γνωστή ως υποβοηθούμενη από φάγο συνεχή εξέλιξη (PACE), η κατευθυνόμενη εξέλιξη μπορεί να πραγματοποιηθεί 1 δισεκατομμύριο φορές πιο γρήγορα από τα παραδοσιακά πειράματα κατευθυνόμενης εξέλιξης. Ωστόσο, η εξέλιξη συχνά αποτυγχάνει να βρει μια λύση, απαιτώντας από τους ερευνητές να μαντέψουν ποιο νέο σύνολο συνθηκών θα τα πάει καλύτερα.

Η τεχνική που περιγράφεται στο νέο Μέθοδοι Φύσης Το χαρτί, το οποίο οι ερευνητές ονόμασαν σχεδόν συνεχή εξέλιξη με τη βοήθεια φάγων και ρομποτικής (PRANCE), μπορεί να εξελίσσεται 100 φορές περισσότερους πληθυσμούς παράλληλα, χρησιμοποιώντας διαφορετικές συνθήκες.

Στο νέο σύστημα PRANCE, βακτηριοφάγος πληθυσμοί (που μπορούν να μολύνουν μόνο ένα συγκεκριμένο στέλεχος βακτηρίων) αναπτύσσονται σε φρεάτια μιας πλάκας 96 φρεατίων, αντί για έναν μόνο βιοαντιδραστήρα. Αυτό επιτρέπει πολλές περισσότερες εξελικτικές τροχιές να συμβαίνουν ταυτόχρονα. Κάθε ιικός πληθυσμός παρακολουθείται από ένα ρομπότ καθώς περνά από τη διαδικασία της εξέλιξης. Όταν ο ιός καταφέρει να δημιουργήσει την επιθυμητή πρωτεΐνη, παράγει μια φθορίζουσα πρωτεΐνη που το ρομπότ μπορεί να ανιχνεύσει.

«Το ρομπότ μπορεί να φροντίζει για αυτόν τον πληθυσμό ιών μετρώντας αυτή την ένδειξη, η οποία του επιτρέπει να δει αν οι ιοί αποδίδουν καλά ή αν πραγματικά παλεύουν και πρέπει να γίνει κάτι για να τους βοηθήσει», λέει ο DeBenedictis.

Εάν οι ιοί αγωνίζονται να επιβιώσουν, πράγμα που σημαίνει ότι η πρωτεΐνη στόχος δεν εξελίσσεται με τον επιθυμητό τρόπο, το ρομπότ μπορεί να τους σώσει από την εξαφάνιση αντικαθιστώντας τα βακτήρια που μολύνουν με ένα διαφορετικό στέλεχος που διευκολύνει την αναπαραγωγή των ιών. . Αυτό εμποδίζει τον πληθυσμό να πεθάνει, κάτι που αποτελεί αιτία αποτυχίας για πολλά κατευθυνόμενα πειράματα εξέλιξης.

«Μπορούμε να συντονίσουμε αυτές τις εξελίξεις σε πραγματικό χρόνο, ως άμεση απάντηση στο πόσο καλά συμβαίνουν αυτές οι εξελίξεις», λέει ο Chory. «Μπορούμε να πούμε πότε πετυχαίνει ένα πείραμα και μπορούμε να αλλάξουμε το περιβάλλον, κάτι που μας δίνει πολλές περισσότερες βολές στο τέρμα, κάτι που είναι υπέροχο τόσο από την άποψη της βιομηχανικής όσο και από την άποψη της βασικής επιστήμης».

Νέα μόρια

Σε αυτή τη μελέτη, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν τη νέα τους πλατφόρμα για να κατασκευάσουν ένα μόριο που επιτρέπει στους ιούς να κωδικοποιούν γονίδια με νέο τρόπο. Ο γενετικός κώδικας όλων των ζωντανών οργανισμών ορίζει ότι τρία ζεύγη βάσεων DNA προσδιορίζουν ένα αμινοξύ. Ωστόσο, η ομάδα του MIT μπόρεσε να εξελίξει πολλά μόρια ιικού RNA μεταφοράς (tRNA) που διαβάζουν τέσσερα ζεύγη βάσεων DNA αντί για τρία.

Σε ένα άλλο πείραμα, εξέλιξαν ένα μόριο που επιτρέπει στους ιούς να ενσωματώσουν ένα συνθετικό αμινοξύ στις πρωτεΐνες που παράγουν. Ολα ιούς και τα ζωντανά κύτταρα χρησιμοποιούν τα ίδια 20 φυσικά αμινοξέα για να χτίσουν τις πρωτεΐνες τους, αλλά η ομάδα του MIT κατάφερε να δημιουργήσει ένα ένζυμο που μπορεί να ενσωματώσει ένα επιπλέον αμινοξύ που ονομάζεται Boc-λυσίνη.

Οι ερευνητές χρησιμοποιούν τώρα το PRANCE για να προσπαθήσουν να φτιάξουν νέα φάρμακα μικρών μορίων. Άλλες πιθανές εφαρμογές αυτού του είδους κατευθυνόμενης εξέλιξης μεγάλης κλίμακας περιλαμβάνουν την προσπάθεια εξέλιξης ενζύμων που αποικοδομούν το πλαστικό πιο αποτελεσματικά ή μορίων που μπορούν να επεξεργαστούν το επιγονιδίωμα, όπως το CRISPR μπορεί να επεξεργαστεί το γονιδίωμα, λένε οι ερευνητές.

Με αυτό το σύστημα, οι επιστήμονες μπορούν επίσης να κατανοήσουν καλύτερα τη διαδικασία βήμα προς βήμα που οδηγεί σε ένα συγκεκριμένο εξελικτικό αποτέλεσμα. Επειδή μπορούν να μελετήσουν τόσο πολλούς πληθυσμούς παράλληλα, μπορούν να τροποποιήσουν παράγοντες όπως το ποσοστό μετάλλαξης, το μέγεθος του αρχικού πληθυσμού και τις περιβαλλοντικές συνθήκες και στη συνέχεια να αναλύσουν πώς αυτές οι παραλλαγές επηρεάζουν το αποτέλεσμα. Αυτός ο τύπος μεγάλης κλίμακας, ελεγχόμενου πειράματος θα μπορούσε να τους επιτρέψει να απαντήσουν δυνητικά σε θεμελιώδη ερωτήματα σχετικά με το πώς συμβαίνει φυσικά η εξέλιξη.

“Το σύστημά μας μας επιτρέπει να πραγματοποιούμε πραγματικά αυτές τις εξελίξεις με ουσιαστικά περισσότερη κατανόηση του τι συμβαίνει στο σύστημα”, λέει ο Chory. «Μπορούμε να μάθουμε για την ιστορία της εξέλιξης, όχι μόνο για το τελικό σημείο».

Αυτή η ιστορία αναδημοσιεύεται από το MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), ένας δημοφιλής ιστότοπος που καλύπτει ειδήσεις σχετικά με την έρευνα, την καινοτομία και τη διδασκαλία του MIT.