Чому редагування генома — це виклик навіть для найкращих вчених?

Сучасні досягнення в синтетичній біології демонструють дивовижний прогрес у розробці та редагуванні геномів, проте вчені стикаються з численними труднощами, які підкреслюють складність біологічних систем. Одним із яскравих прикладів є досвід, що розпочався з «Великого конкурсу ДНК» 2004 року, де жоден учасник так і не зміг запропонувати новий функціональний геном через відсутність необхідних знань і уяви.

За останні два десятиліття технології синтезу ДНК та обчислювальної біології просунулися значно вперед. Наприклад, дослідники створили штам JCVI-syn3A, мінімізований геном бактерії Mycoplasma mycoides, видаливши сотні непотрібних генів, зберігши її здатність до життя й реплікації. Інші проекти, як-от Synthetic Yeast Genome Project (Sc2.0), успішно переписали хромосоми дріжджів Saccharomyces cerevisiae.

Проте навіть такі досягнення виявляють обмеженість наших знань. Гени, які вважалися «необов'язковими», нерідко виконували дублюючі або неочікувані функції. Наприклад, фермент енозаза, відомий своєю участю в обміні вуглеводів, також допомагає деградувати небажану РНК. Такі відкриття ускладнюють процес редагування геномів, адже видалення одного гена може створювати численні непередбачувані наслідки.

Щоб уникнути помилок, вчені активно використовують алгоритми та моделі. У 2020 році британські дослідники запропонували комп'ютерну модель для зменшення геному бактерії Mycoplasma genitalium, що дозволило їм симулювати можливі сценарії редукції генів. Подібний підхід нині застосовується для бактерій E. coli, дозволяючи передбачати, які генетичні зміни можуть викликати проблеми.

Окремим викликом є створення повністю синтетичних геномів. Наприклад, команда Гарвардського університету змогла скоротити геном E. coli до 57 кодонів замість 61, що дозволяє впроваджувати ненатуральні амінокислоти. Проте процес вимагає понад 73 000 змін у ДНК, багато з яких викликають непередбачувані побічні ефекти, наприклад, порушення регуляторних елементів або створення нових білків.

Паралельно, проект Sc2.0 у дріжджів використовує метод SCRaMbLE, що дозволяє видаляти й реорганізовувати гени для тестування життєздатності клітин. Виявилося, що навіть невеликі помилки, як-от неузгодженість між двома хромосомами, можуть серйозно впливати на життєздатність організму.

Попри труднощі, дослідники залишаються оптимістами. Вони планують розширити свої експерименти, включаючи розробку синтетичних людських і рослинних геномів. У перспективі, нові підходи до створення оптимізованих організмів обіцяють революційні рішення для біотехнологій.

Проте на цьому шляху залишається багато перешкод, таких як високі витрати на синтез ДНК та необхідність у вдосконаленні алгоритмів. Утім, вчені впевнені, що кожен крок до переписування геномів приносить нові знання, які можуть змінити наше розуміння життя.