ชีววิทยาสังเคราะห์สามารถช่วยสร้างเอ็มบริโอที่ซับซ้อนได้


Richard Feynman หนึ่งในนักฟิสิกส์ที่ได้รับการยอมรับมากที่สุดในศตวรรษที่ 20 กล่าวว่า “สิ่งที่ฉันสร้างไม่ได้ฉันไม่เข้าใจ” ไม่น่าแปลกใจที่นักฟิสิกส์และนักคณิตศาสตร์หลายคนสังเกตเห็นกระบวนการทางชีววิทยาขั้นพื้นฐานโดยมีจุดประสงค์เพื่อระบุส่วนผสมขั้นต่ำที่สามารถสร้างได้อย่างแม่นยำ ตัวอย่างหนึ่งคือรูปแบบของธรรมชาติที่ Alan Turing สังเกตเห็น

นักคณิตศาสตร์ชาวอังกฤษที่เก่งกาจได้แสดงให้เห็นในปี 1952 ว่ามันเป็นไปได้ที่จะอธิบายว่าเนื้อเยื่อที่เป็นเนื้อเดียวกันอย่างสมบูรณ์สามารถใช้สร้างเอ็มบริโอที่ซับซ้อนได้อย่างไรและเขาก็ทำเช่นนั้นโดยใช้แบบจำลองทางคณิตศาสตร์ที่เรียบง่ายและสวยงามที่สุดที่เคยเขียนมา

ผลลัพธ์อย่างหนึ่งของแบบจำลองดังกล่าวคือความสมมาตรที่แสดงโดยเซลล์หรือเนื้อเยื่อสามารถ“ แตก” ได้ภายใต้เงื่อนไขต่างๆ อย่างไรก็ตามทัวริงไม่สามารถทดสอบความคิดของเขาได้และต้องใช้เวลากว่า 70 ปีก่อนที่ความก้าวหน้าทางเทคนิคชีววิทยาจะสามารถประเมินได้อย่างเด็ดขาด ความฝันของทัวริงสามารถทำให้เป็นจริงผ่านข้อเสนอของไฟน์แมนได้หรือไม่? พันธุวิศวกรรมได้พิสูจน์แล้วว่าสามารถทำได้

ตอนนี้ทีมวิจัยจาก Institute of Evolutionary Biology (IBE) ซึ่งเป็นศูนย์ร่วมของ UPF และ Spanish National Research Council (CSIC) ได้พัฒนารูปแบบใหม่และการใช้งานโดยใช้ชีววิทยาสังเคราะห์ที่สามารถสร้างการแตกสมมาตรที่สังเกตได้ ในตัวอ่อนที่มีส่วนผสมน้อยที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้

ทีมวิจัยได้จัดการนำไปใช้ผ่านทางชีววิทยาสังเคราะห์ (โดยการนำชิ้นส่วนของยีนของสิ่งมีชีวิตอื่นเข้าสู่แบคทีเรีย E. coli) กลไกในการสร้างรูปแบบเชิงพื้นที่ที่พบในสัตว์ที่ซับซ้อนมากขึ้นเช่น Drosophila melanogaster (แมลงวันผลไม้) หรือมนุษย์ ในการศึกษาทีมงานสังเกตว่าสายพันธุ์ของเชื้อ E. coli ที่ดัดแปลงซึ่งโดยปกติจะเติบโตในรูปแบบวงกลม (สมมาตร) ทำในรูปของดอกไม้ที่มีกลีบดอกเป็นระยะ ๆ ตามที่ทัวริงทำนาย

“ เราต้องการสร้างการแตกสมมาตรที่ไม่เคยเห็นในอาณานิคมของ E. coli แต่มีให้เห็นในรูปแบบของสัตว์จากนั้นจึงค้นพบว่าส่วนผสมใดเป็นส่วนประกอบสำคัญที่จำเป็นในการสร้างรูปแบบเหล่านี้” Salva Duran-Nebreda ผู้ดำเนินการกล่าว งานวิจัยนี้สำหรับปริญญาเอกของเขาในห้องปฏิบัติการ Complex Systems และปัจจุบันเป็นนักวิจัยหลังปริญญาเอกที่ห้องปฏิบัติการ IBE Evolution of Technology

เรื่องที่เกี่ยวข้อง

ด้วยการใช้แพลตฟอร์มสังเคราะห์ใหม่ทีมวิจัยสามารถระบุพารามิเตอร์ที่ปรับการเกิดขึ้นของรูปแบบเชิงพื้นที่ใน E. coli “ เราได้เห็นว่าการปรับส่วนผสมสามอย่างเราสามารถทำให้เกิดการแตกสมมาตรได้ โดยพื้นฐานแล้วเราได้เปลี่ยนแปลงการแบ่งเซลล์การยึดติดระหว่างเซลล์และความสามารถในการสื่อสารทางไกล (การตรวจจับโควรัม) กล่าวคือรับรู้เมื่อมีการตัดสินใจร่วมกัน” Duran-Nebreda ให้ความเห็น

การสังเกตในแบบจำลอง E. coli สามารถนำไปใช้กับแบบจำลองสัตว์ที่ซับซ้อนมากขึ้นหรือหลักการออกแบบอาณานิคมของแมลง

ในทำนองเดียวกันกับที่ออร์แกนอยด์หรืออวัยวะขนาดเล็กสามารถช่วยให้เราพัฒนาการบำบัดได้โดยไม่ต้องใช้แบบจำลองของสัตว์ระบบสังเคราะห์นี้จะปูทางไปสู่การทำความเข้าใจปรากฏการณ์สากลเช่นเดียวกับการพัฒนาตัวอ่อนในระบบนอกร่างกายที่ง่ายกว่ามาก”

Ricard Soléนักวิจัย ICREA กลุ่ม Complex Systems สถาบันชีววิทยาวิวัฒนาการ

แบบจำลองที่พัฒนาขึ้นในการศึกษานี้ซึ่งเป็นแบบแรกอาจเป็นกุญแจสำคัญในการทำความเข้าใจเหตุการณ์พัฒนาการของตัวอ่อนบางอย่าง “ เราต้องคิดว่าระบบสังเคราะห์นี้เป็นเวทีสำหรับการเรียนรู้ที่จะออกแบบกลไกทางชีววิทยาพื้นฐานที่แตกต่างกันซึ่งสร้างโครงสร้างเช่นขั้นตอนจากไซโกตไปสู่การก่อตัวของสิ่งมีชีวิตที่สมบูรณ์ ยิ่งไปกว่านั้นความรู้เกี่ยวกับพรมแดนระหว่างกระบวนการทางกลและทางชีววิทยาอาจเป็นประโยชน์อย่างมากสำหรับการทำความเข้าใจความผิดปกติของพัฒนาการ” Duran-Nebreda สรุป

อ้างอิงวารสาร:

Duran-Nebreda, S. , และคณะ. (2021) การยับยั้งด้านข้างสังเคราะห์ในรูปแบบคาบการสร้างอาณานิคมของจุลินทรีย์ สมาคมเคมีอเมริกัน. doi.org/10.1021/acssynbio.0c00318.

ที่มา: | ข่าวการแพทย์