Japońscy biolodzy stworzyli pierwszy sztuczny genomowy DNA, który może się rozmnażać i rozwijać poza komórką. Naukowcom udało się uruchomić proces ekspresji genów i pozakomórkowej replikacji w DNA, utworzonym w systemie bezkomórkowym z kwasów nukleinowych i białek. Wyniki badań opublikowano w czasopiśmie ACS Synthetic Biology.

Zdolność do reprodukcji i rozwoju jest jedną z cech definiujących organizmy żywe. Do tej pory nie było możliwe stworzenie sztucznych materiałów o takich właściwościach. Aby sztuczny system molekularny, który może się rozmnażać i rozwijać się, działał. Informacja genetyczna zakodowana w DNA musi zostać przetłumaczona na RNA, ekspresja białek musi zostać uruchomiona, a cykl replikacji DNA z tymi białkami musi być utrzymany w systemie przez długi czas czas. Główna trudność polega na tym, że geny wymagane do replikacji DNA muszą jednocześnie pełnić swoje funkcje ekspresji.

Aby obejść ten problem, naukowcy z Uniwersytetu Tokijskiego pod kierownictwem profesora Norikazu Ichihashi, zamiast stosowanego przez żywe organizmy złożonego mechanizmu replikacji DNA, który wymaga dużej liczby genów, stworzyli sztuczny system replikacji z zaledwie dwoma genami – Enzym replikacji DNA Phi29 i rekombinaza Cre. Autorzy postawili hipotezę, że te dwa białka będą dobrze funkcjonować w niskich stężeniach i mogą ulegać ekspresji w wystarczających ilościach nawet w istniejących systemach translacji bezkomórkowych.

Stworzyli bezkomórkowy system transkrypcji-translacji, w którym byli w stanie dokonać translacji genów na białka i replikować oryginalny kolisty DNA za pomocą kolistego DNA, który zawiera dwa geny niezbędne do replikacji. Co więcej, z powodzeniem ulepszyli oryginalne DNA, zwiększając dziesięciokrotnie wydajność replikacji. Uruchomiony przez naukowców cykl replikacji DNA trwał 60 dni.

Naukowcy zauważają, że dodając geny potrzebne do transkrypcji i translacji do sztucznego DNA, który opracowali, mogą tworzyć sztuczne komórki, które mogą rosnąć autonomicznie, żywiąc się związkami o niskiej masie cząsteczkowej, takimi jak aminokwasy i nukleotydy.

W przyszłości takie komórki mogą być wykorzystywane do produkcji leków i żywności. Obecnie w technologii w tym celu stosuje się żywe mikroorganizmy. Autorzy uważają, że jeśli zostaną zastąpione sztucznymi programowalnymi komórkami, procesy staną się bardziej stabilne i sterowalne.