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Comment les bactéries métabolisantes pharmaceutiques pourraient-elles être utilisées pour les synthétiser ?


Disons que j'ai un "P" pharmaceutique. Il peut être décomposé par les enzymes d'une souche de bactéries en deux molécules dont l'une peut être davantage métabolisée par voie enzymatique par une souche de bactéries différente. En conséquence, les deux souches peuvent décomposer "P" en métabolites les plus simples.

Peut-on espérer inverser la réaction en utilisant les mêmes enzymes et faire en sorte que les deux bactéries produisent du « P » à partir de nutriments de base et si oui, comment les conditions devraient-elles être modifiées ? Ou peut-être serait-ce possible ex vivo ?


En principe Oui, car presque toutes les réactions existent en équilibre et les enzymes sont des catalyseurs (ce qui signifie qu'elles affectent principalement l'énergie d'activation pour une réaction spécifique).

La meilleure approche consiste à purifier les enzymes en question (probablement même pas de leur espèce d'origine, mais d'une autre bactérie transgénique), car cela réduit vos systèmes totaux de deux organismes différents et tous leurs enzymes et métabolites à un ensemble très spécifique de deux enzymes et une poignée de métabolites.

Mais

  • L'équilibre naturel de la réaction pourrait favoriser les métabolites les plus basiques.
    Même si vous accélérez la génération de "P", cela n'aidera pas beaucoup si seulement une fraction est convertie en premier lieu. De nombreux systèmes biologiques traitent ce problème en couplant des étapes défavorables avec l'hydrolyse de molécules à haute énergie (comme l'ATP), mais lier cela à une enzyme donnée serait un processus très difficile.
  • L'enzyme (s) pourrait ne pas être trop spécifique pour "P".
    De nombreuses enzymes qui éliminent ou décomposent les produits « indésirables » peuvent agir sur plusieurs molécules similaires. Cela a du sens pour les cellules, car il est beaucoup plus efficace d'avoir une enzyme qui s'occupe de plusieurs « mauvaises choses ». Cependant, cela rend l'inversion du processus délicate car votre réaction donnera plusieurs produits dont un seul est intéressant. Cependant, l'optimisation de l'enzyme pour qu'elle soit plus spécifique est relativement simple en utilisant l'évolution in vitro.
  • Les « métabolites de base » ne sont pas une chose clairement définie.
    De nombreux produits pharmaceutiques sont assez complexes et les enzymes qui les décomposent le coupent probablement littéralement en deux morceaux. La question de savoir si ces morceaux sont réellement faciles à obtenir des produits chimiques qui peuvent être utilisés comme intrant pour une réaction enzymatique est une autre question. Selon la complexité de « P », vous devrez peut-être utiliser un assez grand nombre d'enzymes (qui peuvent toutes entraîner les problèmes mentionnés ci-dessus) pour pouvoir commencer à partir de molécules raisonnablement basiques.

Bactérie du soufre

Nos rédacteurs examineront ce que vous avez soumis et détermineront s'il faut réviser l'article.

Bactérie du soufre, pluriel Bactéries du soufre, l'un quelconque d'un groupe diversifié de micro-organismes capables de métaboliser le soufre et ses composés et important dans le cycle du soufre (qv) dans la nature. Certaines des substances soufrées courantes utilisées par ces bactéries comme source d'énergie sont le sulfure d'hydrogène (H2S), le soufre et le thiosulfate (S2O3 2- ). Le produit final de l'oxydation du soufre est le sulfate (SO4 2- ).

Thiobacille, répandu dans les habitats marins et terrestres, oxyde le soufre, produisant des sulfates utiles aux plantes dans les dépôts souterrains profonds, il génère de l'acide sulfurique, qui dissout les métaux dans les mines mais corrode également le béton et l'acier. Desulfovibrio desulficans réduit les sulfates dans les sols gorgés d'eau et les eaux usées en sulfure d'hydrogène, un gaz à l'odeur d'œuf pourri si commune à ces endroits. Thiothrix, courant dans les sources sulfureuses et les eaux usées, et Sulfolobe, confinés aux sources chaudes riches en soufre, transforment le sulfure d'hydrogène en soufre élémentaire.

De nombreuses espèces des familles Chromatiaceae (bactéries soufrées violettes) et Chlorobiaceae (bactéries soufrées vertes) utilisent l'énergie de la lumière dans un environnement sans oxygène pour transformer le soufre et ses composés en sulfates.


Les bonnes bactéries peuvent atténuer les effets secondaires de la chimiothérapie

Dans l'intestin humain, les bonnes bactéries font de bons voisins.

Une nouvelle étude de la Northwestern University a révélé que des types spécifiques de bactéries intestinales peuvent protéger d'autres bonnes bactéries des traitements contre le cancer, atténuant ainsi les modifications nocives du microbiome intestinal induites par les médicaments. En métabolisant les médicaments de chimiothérapie, les bactéries protectrices pourraient atténuer les effets secondaires à court et à long terme du traitement.

À terme, la recherche pourrait potentiellement conduire à de nouveaux compléments alimentaires, probiotiques ou thérapies modifiées pour aider à améliorer la santé intestinale des patients atteints de cancer. Étant donné que les modifications du microbiome liées à la chimiothérapie chez les enfants sont liées à des complications de santé plus tard dans la vie, notamment l'obésité, l'asthme et le diabète, la découverte de nouvelles stratégies pour protéger l'intestin est particulièrement importante pour les patients pédiatriques atteints de cancer.

"Nous avons été vraiment inspirés par la bioremédiation, qui utilise des microbes pour nettoyer les environnements pollués", a déclaré Erica Hartmann, auteur principal de l'étude, de Northwestern. « La biorestauration s'applique généralement aux eaux souterraines ou au sol, mais, ici, nous l'avons appliquée à l'intestin. Nous savons que certaines bactéries peuvent détruire les traitements anticancéreux toxiques. On s'est demandé si, en décomposant des médicaments, ces bactéries pouvaient protéger les microbes qui les entourent. Notre étude montre que la réponse est ‘oui.’ Si certaines bactéries peuvent décomposer les toxines assez rapidement, cela procure un effet protecteur à la communauté microbienne.”

La recherche sera publiée le 26 mai dans la revue mSphère.

Hartmann est professeur adjoint de biologie environnementale à la Northwestern&# x2019s McCormick School of Engineering. Ryan Blaustein, un ancien boursier postdoctoral dans le laboratoire Hartmann&# x2019s, est le premier auteur de l'article&# x2019. Il est maintenant chercheur postdoctoral aux National Institutes of Health.

Bien que les traitements contre le cancer sauvent des vies, ils provoquent également des effets secondaires profondément durs et douloureux, notamment des problèmes gastro-intestinaux. Les chimiothérapies, en particulier, peuvent anéantir les bactéries saines et "bonnes" de l'intestin humain.

« Les médicaments de chimiothérapie ne font pas la différence entre tuer les cellules cancéreuses et tuer les microbes », a déclaré Hartmann. “ Les microbes dans votre intestin aident à digérer vos aliments et à vous garder en bonne santé. Tuer ces microbes est particulièrement nocif pour les enfants, car il existe des preuves que la perturbation du microbiome intestinal au début de la vie peut entraîner des problèmes de santé potentiels plus tard dans la vie.

En collaboration avec le Dr Patrick Seed, professeur de pédiatrie et de microbiologie-immunologie à la Northwestern University Feinberg School of Medicine, Hartmann&# x2019s le laboratoire a appris de Raoultella planticola. Présente naturellement dans l'intestin humain en faible abondance, Raoultella planticola peut décomposer la doxorubicine, un médicament chimiothérapeutique, ce qui a été démontré dans d'autres recherches.

Pour tester si cet effet de dégradation pouvait ou non protéger l'ensemble du microbiome, l'équipe a développé des communautés microbiennes simplifiées, qui comprenaient divers types de bactéries généralement présentes dans l'intestin humain. Les « communautés intestinales » comprenaient des souches bactériennes (Escherichia coli et Klebsiella pneumoniae) capables de décomposer la doxorubicine, des souches (Clostridium innocuum et Lactobacillus rhamnosus) particulièrement sensibles à la doxorubicine et une souche (Enterococcus faecium) résistante à la doxorubicine mais ne la décompose pas.

L'équipe a ensuite exposé ces communautés d'intestins fictifs à la doxorubicine et a constaté une survie accrue parmi les souches sensibles. Les chercheurs ont conclu qu'en dégradant la doxorubicine, certaines bactéries rendaient les médicaments moins toxiques pour le reste de l'intestin.

Bien que la recherche met en évidence une nouvelle voie prometteuse pour potentiellement protéger les patients atteints de cancer, Hartmann prévient que la traduction des nouvelles découvertes en traitements est encore loin.

« Il existe plusieurs applications éventuelles qui seraient formidables pour aider les patients atteints de cancer, en particulier les patients pédiatriques, à ne pas ressentir d’effets secondaires aussi graves », a-t-elle déclaré. “ Mais nous sommes encore loin d'en faire une réalité.”


Activer efficacement les bactéries pour produire des produits chimiques de grande valeur

IMAGE: Schéma du commutateur génétique conçu par ordinateur illustrant que lors de l'ajout d'un inducteur, la production chimique est activée en permanence (en haut à gauche). Ce commutateur peut permettre une production plus évolutive et durable. Voir plus

Crédit : Université de Warwick

- La plupart des produits chimiques de grande valeur sont actuellement produits à l'aide de combustibles fossiles - l'utilisation du pétrole par la chimie industrielle représente 14 % de toutes les émissions de gaz à effet de serre.
- Une alternative intéressante consiste à concevoir des bactéries comme des « usines cellulaires » avec un commutateur génétique qui détourne leur chimie pour produire des produits chimiques de grande valeur, tels que des biocarburants, des polymères et des produits pharmaceutiques.
- L'utilisation de produits chimiques coûteux pour les activer limite considérablement leur potentiel commercial, les chercheurs ont utilisé des modèles mathématiques pour développer un nouveau commutateur génétique qui peut utiliser un nutriment naturel bon marché pour activer la production de manière permanente - réduisant considérablement ce coût.
- Cela rapproche la réalisation d'une production à l'échelle industrielle durable et économiquement viable de produits chimiques de grande valeur à partir de matières premières bon marché, pour un avenir plus vert et plus propre.

Les produits chimiques de grande valeur utilisés dans les biocarburants et les produits pharmaceutiques peuvent être fabriqués à partir de bactéries en changeant leur chimie pour produire de nouveaux produits. Des chercheurs de l'Université de Warwick ont ​​trouvé un moyen de réduire considérablement le coût d'activation de ces commutateurs.

Nous utilisons des produits chimiques pour presque tout, des conservateurs alimentaires aux produits pharmaceutiques et cosmétiques, et même aux biocarburants. Beaucoup d'entre eux sont des dérivés pétrochimiques et leur synthèse n'est donc pas durable. Il est donc essentiel de rechercher des moyens alternatifs de fabriquer des produits chimiques, à l'échelle industrielle, de manière durable et bon marché - ouvrant la voie à un avenir plus vert et plus propre.

Les bactéries peuvent être considérées comme des usines microchimiques de la nature, et de nombreux chercheurs essaient de comprendre comment leur réseau complexe de réactions chimiques peut être recâblé pour convertir des matières premières bon marché comme le glucose en produits chimiques utiles pour notre utilisation. L'utilisation de commutateurs génétiques pour rediriger la chimie des bactéries est un développement passionnant dans le domaine de la biologie synthétique.

En règle générale, les commutateurs génétiques sont activés en ajoutant un produit chimique appelé inducteur. Cependant, les inducteurs sont coûteux et doivent souvent être ajoutés en permanence pour éviter de s'éteindre, de la même manière qu'un "interrupteur d'éclairage avec un ressort" qui s'éteint lorsque vous lâchez prise. Cela rend cette approche de commutation coûteuse et donc la mise à l'échelle de la production industrielle est économiquement irréalisable.

Dans l'article "Conception d'un commutateur métabolique irréversible pour une induction évolutive de la production chimique microbienne", publié dans la revue Communication Nature, des chercheurs de la School of Engineering de l'Université de Warwick ont ​​trouvé un moyen peu coûteux de faire passer les bactéries en mode de production chimique.

Dirigée par le Dr Ahmad A. Mannan et le professeur Declan G. Bates du Centre de biologie synthétique intégrative de Warwick à l'École d'ingénierie, de nouvelles recherches théoriques ont examiné comment les biocapteurs d'E. coli qui répondent à des nutriments naturels bon marché comme l'acide oléique peuvent être exploités pour créer des commutateurs . En utilisant des modèles mathématiques et les principes d'ingénierie des boucles de contrôle de rétroaction, couramment utilisés dans les systèmes de contrôle de vol, ils ont découvert comment concevoir un commutateur génétique chez les bactéries qui supprime le "ressort" de retour, de sorte que l'ajout d'une seule impulsion d'un nutriment naturel bon marché peut changer la cellule au mode de production chimique en permanence - réduisant drastiquement les coûts.

Le Dr Ahmad Mannan, du Centre de biologie synthétique intégrative de Warwick à l'École d'ingénierie, commente : « La possibilité de passer en permanence des bactéries en mode de production chimique est un grand pas en avant pour réaliser une mise à l'échelle économiquement viable de la production chimique à partir de microbes. être largement applicable à de nombreux microbes pertinents sur le plan industriel et pour la synthèse de presque tous les produits chimiques - un composant polyvalent dans la boîte à outils de biologie synthétique. Les prochaines étapes de notre recherche seraient de découvrir les principes pour comprendre où dans la feuille de route chimique pour appliquer ce « trafic light" et peut-être envisager de collaborer avec l'industrie où il pourrait être facilement incorporé dans les processus de fermentation existants."

Le professeur Declan Bates, du Centre de biologie synthétique intégrative de Warwick à la School of Engineering ajoute : « En utilisant des techniques de biologie synthétique de pointe, notre travail a défini le cadre pour la construction du commutateur irréversible proposé en laboratoire. Non seulement notre travail pourrait changer la façon dont les industries chimiques fabriquent des produits chimiques de grande valeur, cela contribue également à une vision plus large de la façon dont les humains peuvent s'éloigner de la dépendance à l'égard des ressources non renouvelables, pour permettre la synthèse durable de produits biochimiques, pour un avenir plus vert et plus propre. »

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Les scientifiques se tournent vers la biologie synthétique et l'impression 3D pour soutenir la vie dans l'espace

Alors que la NASA se prépare à renvoyer des humains sur la Lune ou même sur Mars, elle devra trouver un moyen de garder ces humains en bonne santé et en sécurité, loin de la Terre, riche en ressources.

Il ne sera pas possible d'emballer tout ce dont ils pourraient avoir besoin au cours de la mission, et les missions de réapprovisionnement comme celles qui maintiennent la Station spatiale internationale (ISS) en stock seront excessivement coûteuses et longues.

Ce que ces astronautes peuvent emballer, ce sont les ressources renouvelables uniques de la Terre : les cellules. Les cellules de champignons et de bactéries, par exemple, peuvent être reprogrammées avec de l'ADN synthétique pour produire des matériaux spécifiques, comme des bioplastiques. Ces matériaux peuvent ensuite être introduits dans des imprimantes 3D pour fabriquer des objets dont les astronautes peuvent avoir besoin pendant les vols spatiaux, du matériel informatique aux appareils médicaux en passant par les médicaments et la nourriture.

Dans un article d'opinion publié en ligne dans Tendances en biotechnologie, des chercheurs de l'Universities Space Research Association (USRA), du MIT Lincoln Laboratory et de la NASA décrivent comment la biologie synthétique et l'impression 3D peuvent soutenir la vie lors de missions humaines dans l'espace lointain. Mais pour faire de ces idées une réalité, la NASA cherche de l'aide.

"Notre article d'opinion est un appel à l'action pour impliquer les communautés de biologie du bricolage [do-it-yourself] et de makerspace", a déclaré Peter Carr, qui travaille au sein du groupe des systèmes et technologies de bio-ingénierie du Lincoln Laboratory. La communauté de la biologie DIY permet à toute personne du public intéressée de mener des travaux d'ingénierie biologique. La communauté opère en dehors des cadres académiques ou industriels traditionnels et diffuse des connaissances grâce à l'open source. De nombreux groupes de biologistes bricoleurs exploitent des makerspaces qui fournissent du matériel et des fournitures aux membres pour qu'ils puissent faire des expériences par eux-mêmes.

"Ces communautés éclectiques séparées font tout le temps de la bio dans des environnements non conventionnels et sont des pionnières dans le prototypage rapide et le développement de technologies avec des ressources limitées. Il existe ici des parallèles avec l'espace et les besoins des équipages de la NASA", a déclaré Carr. "Mais cela nécessite également que des organisations comme la nôtre et la NASA se connectent plus profondément avec elles dans un processus bidirectionnel, il existe donc une véritable voie pour amener le travail des gens dans l'espace. Nous ne faisons que commencer."

Les imprimantes 3D sont des éléments de base courants des makerspaces. Les expériences réalisées sur l'ISS avec des imprimantes 3D ont prouvé leur utilité pour la fabrication d'articles à la demande, comme du matériel de remplacement. Mais si l'impression 3D doit être un outil fiable pour les missions de longue durée dans l'espace, un nouveau problème surgit : la nécessité de fournir au navire la matière première des imprimantes.

Pour répondre à ce besoin, les auteurs envisagent d'utiliser la biologie synthétique pour produire une « encre » biologique personnalisée pour imprimer en 3D tout ce qui peut être nécessaire au cours d'une mission. Un tel processus donnerait aux scientifiques "l'autonomie de concevoir pour l'inconnu", explique Jessica Snyder, chercheuse de l'USRA qui dirige la tâche de biologie synthétique pour les services de mission académique de la NASA.

Les organismes vivants peuvent convertir la lumière du soleil, l'azote et l'eau en produits finis. Les bioingénieurs peuvent reprogrammer la logique interne des cellules de ces organismes pour produire des composés cibles. Les blocs de construction pour éditer ces cellules peuvent être numérisés et envoyés à l'équipage spatial sous la forme d'une séquence d'ADN, qui peut être synthétisée, assemblée et insérée dans un organisme à bord du navire. "L'idée est ce que nous appelons un convertisseur" bits en biologie "", explique David Walsh, bio-ingénieur au Lincoln Laboratory.

Voici un exemple de la façon dont cette vision pourrait être mise en œuvre : disons que les astronautes ont été confrontés à une situation qui s'est produite sur l'ISS en 2007 : un panneau solaire s'est déchiré et a besoin d'une sangle de réparation. Sur Terre, des biologistes de synthèse, qu'ils soient du type bricolage ou non, conçoivent et testent des programmes génétiques ordonnant aux bactéries de produire la matière première polymère pour l'impression 3D. (Ce travail pourrait également avoir lieu bien avant que le besoin ne se fasse sentir pendant la mission spatiale.) La communauté des fabricants élabore la conception d'une sangle à partir de ces matériaux. Ces instructions génétiques et les instructions d'impression 3D sont envoyées numériquement de la Terre à l'équipage spatial. L'équipage reproduit le programme génétique, et les bactéries reproduisent et synthétisent les matières premières, qui sont utilisées pour imprimer en 3D le bracelet. A la fin du cycle de vie du produit, la pièce est récupérée et digérée, et une nouvelle peut être fabriquée.

"Nous avons le pouvoir de l'information numérique. Nous pouvons concevoir et résoudre tous les problèmes sur Terre et simplement envoyer les instructions dans l'espace", explique Walsh.

Les mêmes principes peuvent être utilisés pour insérer de l'ADN dans des organismes dans l'espace afin de fabriquer des composés cibles pour l'alimentation ou les produits pharmaceutiques, qui, s'ils étaient apportés directement de la Terre, se dégraderaient avec le temps à cause des radiations dans l'espace.

Les astronautes pourraient mener ces expériences de biologie complexes en utilisant des dispositifs microfluidiques imprimés en 3D. Ces minuscules dispositifs "laboratoires sur puce" contrôlent automatiquement le flux et le mélange de fluides à travers des microcanaux et n'utilisent que des traces de produits chimiques pour exécuter des centaines de bioréactions en parallèle en quelques secondes. Des instructions génétiques seraient envoyées directement à l'électronique contrôlant ces dispositifs microfluidiques, leur permettant de suivre avec précision la "recette" numérique pour synthétiser des molécules d'ADN.

Plus tôt cette année, Lynn Rothschild, une scientifique du NASA Ames Research Center qui a co-écrit l'article d'opinion, a dirigé une équipe qui a mené les premières expériences de biologie synthétique dans l'espace. Les expériences visaient à tester dans quelle mesure les bactéries dans l'espace absorbent l'ADN synthétique inséré dans leur génome et dans quelle mesure les bactéries produisent des protéines, tout en étant filées pour simuler la microgravité (ce que les astronautes de l'ISS rencontrent), la gravité lunaire et les niveaux de gravité martien. Les expériences ont eu lieu sur la charge utile PowerCell à bord de la mission satellite allemande Eu:CROPIS (Euglena and Combined Regenerative Organic-Food Production in Space).

Cependant, il reste encore beaucoup de chemin à parcourir, à la fois pour expérimenter la biologie synthétique et pour déterminer tous les paramètres qui rendraient possible l'impression 3D avec des biomatériaux dans l'espace. "Par exemple, les bactéries auront besoin d'eau et occuperont de l'espace, elles ont besoin du bon environnement pour vivre et elles produiront des déchets. Nous devons toujours confronter ces idées aux contraintes du monde réel", a déclaré Carr.

Mais il est urgent de développer les concepts maintenant. Si la biologie synthétique et les techniques d'impression 3D peuvent être éprouvées et mises en pratique à temps pour des missions proches de la Terre, à partir desquelles des approvisionnements peuvent encore être envoyés relativement rapidement, alors on peut compter sur elles pour une mission à long terme vers Mars.

"Les techniques de fabrication flexibles constituent un excellent complément aux chaînes d'approvisionnement terrestres pour des destinations à quelques jours, comme la Station spatiale internationale et une éventuelle infrastructure lunaire, par exemple. Profitons de cette redondance pour construire une capacité de fabrication dans l'espace pour nous emmener plus loin dans l'espace de manière plus sûre », explique Snyder. Les biologistes et les fabricants de bricolage peuvent aider aujourd'hui en publiant leurs conceptions pour les produits imprimés en 3D, les dispositifs microfluidiques ou l'ADN synthétique sur des référentiels open source et en testant et en modifiant les conceptions publiées. "Si les communautés de bricolage bio utilisent, améliorent de manière itérative et finalement approuvent une technique, alors cette technique a été optimisée de manière plus robuste que la plupart des individus ou des équipes pourraient offrir sans grand effort. Le partenariat avec ces communautés est un atout inestimable", ajoute Snyder. Les personnes intéressées peuvent également consulter les défis du centenaire de la NASA, qui décrivent les problèmes que la NASA cherche à résoudre avec l'aide du public.

« Nous entendons souvent parler de l'ingénieur qui a été inspiré par la NASA dans sa jeunesse et qui y travaille maintenant. Mais qu'en est-il des personnes bio qui sont inspirées par ces grandes idées ? Comment peuvent-elles contribuer ? C'est maintenant une chance de transférer leurs idées dans l'espace, " dit Carr. « Il y a tellement de possibilités d'innover.


La prochaine meilleure version de moi : comment vivre pour toujours

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George Church domine la plupart des gens. Il a la longue barbe grise d'un sorcier de la Terre du Milieu, et le travail de sa vie - piquer et pousser l'ADN et explorer les secrets de la vie - n'est pas si éloigné d'un monde où la magie profonde est réelle. Le généticien de 63 ans préside l'un des laboratoires de biologie universitaire les plus grands et les mieux financés au monde, dont le siège est au deuxième étage du nouveau bâtiment de recherche en verre et en acier de la Harvard Medical School. Il prête également son nom en tant que conseiller ou soutien à des dizaines de projets, consortiums, conférences, spin-outs et startups qui partagent la mission de repousser les limites de tout, de la biorobotique au retour du mammouth laineux. Et un matin torride d'août l'été dernier, il veut me parler du bord extérieur de ma la vie.

Church est l'un des leaders d'une initiative appelée Genome Project-Write, ou GP-Write, qui organise les efforts de centaines de scientifiques du monde entier qui travaillent à synthétiser l'ADN d'une variété d'organismes. Le groupe débat toujours jusqu'où aller dans la synthèse de l'ADN humain, mais Church - debout dans son bureau dans un manteau de sport froissé, derrière le lutrin mince qu'il utilise comme bureau - dit que son laboratoire a déjà pris sa propre décision sur la question : « Nous voulons synthétiser des versions modifiées de tous les gènes du génome humain dans les prochaines années. »

Son plan est de concevoir et de construire de longues chaînes d'ADN humain, non seulement en coupant et en collant de petites corrections - une pratique désormais courante, grâce aux technologies récentes comme Crispr qui permettent aux scientifiques de modifier l'ADN à moindre coût et facilement - mais en réécrivant des étendues critiques de chromosomes. qui peut ensuite être cousu avec un génome naturel. S'ils y parviennent, ce sera un saut vertigineux d'ambition et de complexité par rapport aux génomes de bactéries et de levures que les scientifiques ont jusqu'ici œuvré à synthétiser. "Ce que nous prévoyons de faire va bien au-delà de Crispr", déclare Church. "C'est la différence entre éditer un livre et en écrire un."

En écrivant le livre, Church espère plier le récit humain à sa volonté. En remplaçant des nucléotides sélectionnés - les ACGT de la vie, qui sont dispersés dans les chromosomes - et en changeant, par exemple, un T en un A ou un C en un G dans un processus appelé recodage, Church envisage de pouvoir rendre les cellules résistantes aux virus. « Comme le VIH et l'hépatite B », dit-il.

« Et le rhume ? Je demande.

Il hoche la tête, ajoutant qu'ils ont déjà recodé les bactéries pour qu'elles soient résistantes aux virus. « C’est dans un article que nous avons publié en 2016 », dit-il.

Church et d'autres qui travaillent à synthétiser l'ADN humain ont créé leur propre effort au sein de GP-Write - le Human Genome Project-Write, ou HGP-Write - et ses perspectives de succès font parler les biologistes du potentiel de traitement des maladies et de création de bio-ingénierie. cellules et peut-être même des organes. Les critiques, cependant, se grattent la tête sur les défis techniques, les coûts élevés et la praticité. Francis Collins, directeur des National Institutes of Health, reconnaît que la synthèse d'un génome humain complet est faisable, mais il n'en voit pas tout à fait l'utilité. "Je pense que c'est probablement dans la gamme des possibilités, avec suffisamment de temps et d'argent", dit-il, "mais pourquoi voudriez-vous faire cela ? Des technologies comme Crispr sont tellement plus accessibles en ce moment.

Il y a aussi l'éthique de l'utilisation d'une nouvelle technologie puissante pour brouiller le codage de base de la vie. Théoriquement, les scientifiques pourraient un jour fabriquer des génomes, humains ou autres, presque aussi facilement que d'écrire du code sur un ordinateur, en transformant l'ADN numérique sur l'ordinateur portable de quelqu'un en cellules vivantes de, disons, Homo sapiens. Conscients de la controverse, Church et ses collègues de HGP-Write insistent sur le fait que leur objectif n'est pas de frapper des personnes, bien que la simple audace d'apporter des modifications à l'échelle du génome à l'ADN humain soit suffisante pour provoquer la controverse. "Les gens se fâchent si vous mettez un gène d'une autre espèce dans quelque chose que vous mangez", explique Henry Greely, bioéthicien et juriste de Stanford. « Maintenant, nous parlons d'une réécriture en profondeur de la vie ? Les poils se dresseront. Les hackles seront soulevés.

Hache ou pas, Church et son équipe vont de l'avant. "Nous voulons commencer avec un Y humain", dit-il, se référant au chromosome sexuel masculin, qui, explique-t-il, possède le moins de gènes des 23 chromosomes d'une personne et est donc plus facile à construire. Et il ne veut pas synthétiser n'importe quel chromosome Y. Lui et son équipe veulent utiliser la séquence du chromosome Y du génome d'une personne réelle : le mien.

"Peux-tu faire ça?" je balbutie.

"Bien sûr que nous pouvons, avec votre permission", dit-il, me rappelant qu'il serait facile de puiser dans mon génome, car il a été stocké numériquement dans les ordinateurs de son laboratoire dans le cadre d'un effort qu'il a lancé en 2005 appelé Personal Genome Project. . (Divulgation : j'ai fait des reportages sur Church pendant plus d'une décennie, et il est l'un des 17 conseillers non rémunérés d'une petite série de conférences que j'organise appelée Arc Fusion.) Le PGP a enrôlé des milliers de personnes pour contribuer leurs génomes complets à un base de données publique ouverte aux chercheurs et à tous les autres, et j'avais fait don de mon génome à l'effort.

« Je tiens à réitérer que nous ne créons pas de bébés humains », déclare Andrew Hessel. "Ce travail viendra pour une autre génération."

Avec ma permission et quelques clics sur son clavier, Church peut facilement extraire un plan numérique de mon chromosome Y. Ensuite, les scientifiques de son laboratoire pourraient construire une réplique synthétique, avec une différence : ils recoderaient ma séquence pour qu'elle soit résistante aux virus. Et s'ils réussissent, et s'ils recodaient le reste de mes chromosomes et les inséraient dans une cellule humaine, les deux énormes si- ils pourraient théoriquement implanter ces cellules «corrigées» à l'intérieur de mon corps, où elles se multiplieraient, espérons-le, changeraient le fonctionnement de mon corps et réduiraient mon risque d'infection virale.

Mais nous prenons de l'avance sur nous-mêmes. Pour l'instant, Church veut simplement recoder et synthétiser mon chromosome Y. "Ce sera un peu de toi", me dit-il, "que nous garderons au congélateur une fois que nous aurons terminé." Une version optimisée de moi qui pourrait un jour être décongelée, dans une douzaine ou cent ou mille ans. D'ici là, explique Church, les scientifiques pourraient être en mesure de manipuler davantage mon génome. Ils pourraient me rendre plus fort ou plus rapide ou peut-être même plus intelligent. Ils pourraient éventuellement construire une toute nouvelle version de moi. Qui sait ce qui sera faisable à l'avenir ?

La biologie synthétique, un domaine dédié à la compréhension et à la réingénierie des éléments de base de la vie, a ses racines au début des années 1970, lorsqu'une équipe dirigée par le biochimiste de Stanford Paul Berg a fait des découvertes clés sur la façon de couper et coller de courtes séquences d'ADN d'un organisme ( tout, des bactéries aux humains) dans un autre (généralement une bactérie). Cette pratique a permis aux scientifiques d'utiliser la machinerie cellulaire d'un microbe pour produire des protéines qui, dans certains cas, sont devenues des médicaments à succès comme Epogen, maintenant couramment utilisés pour stimuler la production de globules rouges chez les personnes souffrant d'anémie ou sous dialyse - ou, euh, dans le Tour de France.

La biologie synthétique à plus grande échelle a commencé à s'installer au début des années 2000, lorsque les scientifiques ont commencé à synthétiser des virus complets. En 2010, une équipe de l'Institut J. Craig Venter a créé la première cellule bactérienne synthétique auto-répliquante. Mais rien jusqu'à présent n'a approché les ambitions de GP-Write ou HGP-Write, qui tirent leurs noms du projet original du génome humain, l'effort massif qui a séquencé les 3 milliards de paires de lettres constituant un génome humain pour un coût de 2,7 milliards de dollars. aux contribuables américains. (Un deuxième effort privé dirigé par le généticien Craig Venter a été réalisé pour beaucoup moins d'argent.) et HGP-Write et ancien chercheur de l'unité des sciences de la vie du géant du logiciel Autodesk.

C'est Hessel, un homme maigre de 54 ans avec une barbe courte et piquante, qui m'a parlé pour la première fois de ce nouveau projet de génome humain il y a trois ans lorsque je lui ai rendu visite dans son petit cottage branché près de la Russian River dans le comté de Sonoma en Californie. Sirotant du vin rouge autour d'un poêle à bois par une nuit brumeuse, Hessel a expliqué comment il avait commencé sa carrière à la fin des années 1990 chez Amgen en analysant les données de l'effort privé de Venter sur le génome humain. "Même lorsque nous terminions HGP-Read", dit-il, en utilisant son abréviation et celle de ses collègues pour le projet original du génome humain, "j'avais hâte de voir comment nous pourrions commencer à créer des choses. Ensuite, j'ai attendu et attendu, mais rien ne s'est passé. Ce fut un échec de l'imagination. La technologie avait atteint un certain point, mais personne ne bougeait dessus. » Il a regardé Crispr et d'autres techniques d'édition de gènes émerger, mais ils ne l'ont pas satisfait.

En 2015, Hessel est devenu plus sérieux au sujet d'un projet d'« écriture » et a demandé à Church d'aider à diriger les efforts qui sont devenus GP-Write (et HGP-Write). Church a insisté pour qu'ils enrôlent également un autre éminent biologiste synthétique, Jef Boeke de l'Université de New York, en tant que co-leader. Les objectifs du groupe vont de la facilitation du développement de technologies plus rapides et moins chères au développement d'un cadre éthique pour la synthèse de la vie. Ils ont également une réponse toute prête à la question posée par Francis Collins et d'autres sur la synthèse des génomes humains : pourquoi le faire ? Hessel, Church et la société parlent du potentiel de changements importants à l'échelle du génome qui pourraient être utilisés pour développer des cellules résistantes aux virus, des organes synthétiques et de nouveaux médicaments. Cependant, ils tracent la limite à la perspective d'activer un génome synthétique dans les cellules germinales qui pourrait modifier les gènes que nous transmettons à nos enfants. « Nous ne créons pas de bébés humains, nous écrivons simplement des génomes », insiste Hessel. "Le vrai travail pour faire un bébé synthétique viendra pour une autre génération."

En mai dernier, GP-Write a tenu sa première réunion publique au New York Genome Center. Le rassemblement de deux jours a attiré 250 scientifiques, éthiciens, avocats, éducateurs, scientifiques citoyens, artistes, décideurs et entreprises de 10 pays, dont la Chine, le Japon, la Grande-Bretagne, le Canada, Singapour et les États-Unis. Il comportait des sessions telles que « Matrice d'amplification isotherme pour étendre la séquence de gènes synthétiques » et « Anticiper et comprendre les systèmes de gouvernance ».

With large-scale recoding, you have to wonder whether new and improved genomes would make us someone different altogether.

The conference featured presentations about pilot projects that the organization was considering or endorsing. For instance, Columbia University’s Harris Wang wants to bioengineer mammalian cells that can become nutrient factories churning out the critical amino acids and vitamins we otherwise have to consume through food. Another project, presented by June Medford of Colorado State University, aims to reengineer the genomes of plants so they can filter water or detect chemicals. At the meeting, she showed a slide of an airport gate encircled by explosive-detecting shrubbery.

The GP-Write movement had its latest big breakthrough last year, when Boeke’s lab at NYU announced it had fully synthesized six of the 16 chromosomes that make up the genome of baker’s yeast. Boeke plans to finish all 16 chromosomes by the end of this year. “We’re setting out to untangle, streamline, and reorganize yeast’s genetic blueprint,” he says. “Once we’ve synthesized all 16 chromosomes, we plan to create a functioning yeast cell.”

That will be a remarkable accomplishment, but given that yeast has only about one-­quarter as many genes as people do, it’s still not anything close to the complexity of synthesizing all or even part of a human genome. The longest of the 16 synthesized chromosomes in Boeke’s yeast genome will measure around 1 million base pairs—base pairs being the doubling-­­up of genetic letters into pairs that run along each strand of DNA’s double helix, like steps in a ladder. The Y chromosome comes in at 59 million base pairs, and that’s among the shortest of a human’s 23 chromo­somes. Some scientists have estimated that writing an entire human genome, all 3 billion base pairs, could cost upwards of $3 billion, which is not only prohibitively expensive but probably unnecessary. “We don’t need to rewrite everything” to make serious changes to the chromosome, Church explains. “Just those parts that are important.”

In 2002, as part of WIRED's effort to explain and humanize the newfangled technology of genomic sequencing, I was one of the first people to be genetically sequenced. Back then, my genomic “read” seemed highly personal, claiming to reveal secrets about my health buried deep in my DNA. As part of my reporting, a San Diego–based company named Sequenom tested me for several hundred DNA markers associated with disease risk factors, ranging from Alzheimer’s and hypertension to some forms of cancer. For instance, Sequenom’s scientists found a mutation on my sixth chromosome that was later found to be associated with a slightly higher risk of heart attack. Like a lot of people who’ve had their genomes sequenced through services like 23andMe, I mentally stored this information under “good to know.” Fifteen years (and zero heart attacks) later, as I contemplated my own personal HGP-Write project, I wondered how it would feel to know that a little piece of me was being partially copied and recoded to be new and improved.

After meeting with Church last summer, I sat down with his team in a conference room at Harvard’s Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering, a glass and steel marvel situated behind the Church lab’s main building. The team included four researchers and 32-year-old Albanian postdoc Eriona Hysolli. With dark, braided hair and a serious demeanor, Hysolli walked me through how they’ll build my Y chromosome.

Gene synthesis, Hysolli says, starts with the researchers looking up a subject’s digi­tal genetic sequence on a computer. On a glowing screen she shows me a segment of my sequence, which looks like this:

CGG CGA AGC TCT TCC TTC CTT TGC ACT GAA AGC TGT AAC TCT AAG TAT CAG TGT GAA ACG GGA GAA AAC AGT AAA GGC AAC GTC CAG GAT CGA GTG AAG CGA CCC ATG AAC GCA TTC ATC GTG TGG TCT CGC GAT CAG CGG CGC AAG ATG GCT CTA GAG AAT CCC CGA

… and so on. Hysolli explains that, rather than synthesize every nucleotide in my Y chromosome, Church’s team will focus on discrete genetic units, called codons, that determine what kind of amino acids (and, eventually, proteins) are produced by a cell. Each codon is made up of three nucleotides (ATG, for example, or TCC), and by swapping out certain nucleotides in the codons, Hysolli and her team hope to make genome-wide changes that would make a cell resistant to viruses. Once the targeted codons have been recoded, ­Hysolli will send this genetic blueprint to a company, Integrated DNA Technologies, which creates small, custom-made segments of actual DNA called oligo­nucleotides, or oligos. IDT will then freeze-dry the oligos and mail them back to Hysolli. She and her researchers will thaw out the oligos and connect them into longer and longer sequences, with each new segment bringing them one step closer to a completed chromosome.

That’s the plan, anyway, and it will take up to a year to complete the process. In the meantime, I ask Hysolli to provide a less ambitious demonstration of how writing DNA works. At first, she is reluctant to do something that she considers easy (for her). But she soon agrees, and we choose a segment of DNA on my sixth chromosome that contains the mutation revealed by my earlier genetic tests—the one that’s associated with a modest risk of heart attack. To create a new and improved version of this gene fragment, Hysolli corrects the risky mutation on her computer. She also recodes this morsel of DNA to be resistant to viruses, just for good measure. Hysolli then orders the recoded DNA fragment from IDT, which arrives several days later.

Once they receive the fragment, the researchers clone it and drop it into the cytoplasm of E. coli, a well-known bacterium. Geneticists frequently do this to take advantage of E. coli’s rapid rate of reproduction. After several days, the E. coli have churned out enough of my altered chromosome that Hysolli sends me a picture of the bacteria in a petri dish containing these tiny bits of me. Not that I can actually see the nano-size flecks. But I can view a splattering of green glowing blobs inside the cell. The blobs are produced by a “fluorescent reporter gene,” taken from a jellyfish, that is routinely used by scientists to tag genes in this way. The smudgy, brown-green soup of microbes speckled with glowing dots is a long way from being a recognizable version of me, but it did make me squirm a bit to think that one day I might be looking at a more complete version of my full genome in a petri dish, all gussied up.

The final step in creating this synthetic mini-me is to swap the repaired gene into cells to be stored. Not just any cells, though—scientists use my white blood cells to make what are called induced pluripotent stem cells, meaning that they can grow into any cell in the body. (This bioengineering is done by a Madison, Wisconsin, company called Cellular Dynamics International, which creates stem cells for pharmaceutical and academic outfits.) Someday these cells could be injected into my body in the hope of changing the way my body works, but right now, “getting edited cells in the body is super challenging,” Hysolli says. “For many tissues, you can inject them directly and wait to see if a small percentage survive and thrive. Or you can inject blood stem cells intravenously and see if they home in on the bone marrow or the thymus.” Until that technology matures, these doctored cells of mine will be frozen and stored, to be accessed by me or perhaps someone else in the future.

Church cautions that the technology behind genome-scale synthetic biology remains nascent, difficult, and expensive. GP-Write has yet to raise significant funds, though individual labs like Church and Boeke’s have raised money from govern­ment agencies such as the National Science Foundation and Darpa, the Pentagon’s R&D arm. For now, I’m not holding my breath that I’ll get my recoded Y chromosome­—or the tiny fix that Hysolli made on my chromosome six—implanted in me anytime soon. But they’ll be sitting there in the deep freeze should the raft of ethical, technical, and safety issues ever get worked out.


Contenu

The exact compounds an organism is exposed to will be largely unpredictable, and may differ widely over time these are major characteristics of xenobiotic toxic stress. [1] The major challenge faced by xenobiotic detoxification systems is that they must be able to remove the almost-limitless number of xenobiotic compounds from the complex mixture of chemicals involved in normal metabolism. The solution that has evolved to address this problem is an elegant combination of physical barriers and low-specificity enzymatic systems.

All organisms use cell membranes as hydrophobic permeability barriers to control access to their internal environment. Polar compounds cannot diffuse across these cell membranes, and the uptake of useful molecules is mediated through transport proteins that specifically select substrates from the extracellular mixture. This selective uptake means that most hydrophilic molecules cannot enter cells, since they are not recognised by any specific transporters. [2] In contrast, the diffusion of hydrophobic compounds across these barriers cannot be controlled, and organisms, therefore, cannot exclude lipid-soluble xenobiotics using membrane barriers.

However, the existence of a permeability barrier means that organisms were able to evolve detoxification systems that exploit the hydrophobicity common to membrane-permeable xenobiotics. These systems therefore solve the specificity problem by possessing such broad substrate specificities that they metabolise almost any non-polar compound. [1] Useful metabolites are excluded since they are polar, and in general contain one or more charged groups.

The detoxification of the reactive by-products of normal metabolism cannot be achieved by the systems outlined above, because these species are derived from normal cellular constituents and usually share their polar characteristics. However, since these compounds are few in number, specific enzymes can recognize and remove them. Examples of these specific detoxification systems are the glyoxalase system, which removes the reactive aldehyde methylglyoxal, [3] and the various antioxidant systems that eliminate reactive oxygen species. [4]

The metabolism of xenobiotics is often divided into three phases:- modification, conjugation, and excretion. These reactions act in concert to detoxify xenobiotics and remove them from cells.

Phase I – modification Edit

In phase I, a variety of enzymes act to introduce reactive and polar groups into their substrates. One of the most common modifications is hydroxylation catalysed by the cytochrome P-450-dependent mixed-function oxidase system. These enzyme complexes act to incorporate an atom of oxygen into nonactivated hydrocarbons, which can result in either the introduction of hydroxyl groups or N-, O- and S-dealkylation of substrates. [5] The reaction mechanism of the P-450 oxidases proceeds through the reduction of cytochrome-bound oxygen and the generation of a highly-reactive oxyferryl species, according to the following scheme: [6]

O2 + NADPH + H + + RH → NADP + + H2O + ROH

Phase I reactions (also termed nonsynthetic reactions) may occur by oxidation, reduction, hydrolysis, cyclization, decyclization, and addition of oxygen or removal of hydrogen, carried out by mixed function oxidases, often in the liver. These oxidative reactions typically involve a cytochrome P450 monooxygenase (often abbreviated CYP), NADPH and oxygen. The classes of pharmaceutical drugs that utilize this method for their metabolism include phenothiazines, paracetamol, and steroids. If the metabolites of phase I reactions are sufficiently polar, they may be readily excreted at this point. However, many phase I products are not eliminated rapidly and undergo a subsequent reaction in which an endogenous substrate combines with the newly incorporated functional group to form a highly polar conjugate.

A common Phase I oxidation involves conversion of a C-H bond to a C-OH. This reaction sometimes converts a pharmacologically inactive compound (a prodrug) to a pharmacologically active one. By the same token, Phase I can turn a nontoxic molecule into a poisonous one (toxification). Simple hydrolysis in the stomach is normally an innocuous reaction, however there are exceptions. For example, phase I metabolism converts acetonitrile to HOCH2CN, which rapidly dissociates into formaldehyde and hydrogen cyanide. [7]

Phase I metabolism of drug candidates can be simulated in the laboratory using non-enzyme catalysts. [8] This example of a biomimetic reaction tends to give products that often contains the Phase I metabolites. As an example, the major metabolite of the pharmaceutical trimebutine, desmethyltrimebutine (nor-trimebutine), can be efficiently produced by in vitro oxidation of the commercially available drug. Hydroxylation of an N-methyl group leads to expulsion of a molecule of formaldehyde, while oxidation of the O-methyl groups takes place to a lesser extent.

Oxidation Edit

Reduction Edit

Cytochrome P450 reductase, also known as NADPH:ferrihemoprotein oxidoreductase, NADPH:hemoprotein oxidoreductase, NADPH:P450 oxidoreductase, P450 reductase, POR, CPR, CYPOR, is a membrane-bound enzyme required for electron transfer to cytochrome P450 in the microsome of the eukaryotic cell from a FAD- and FMN-containing enzyme NADPH:cytochrome P450 reductase The general scheme of electron flow in the POR/P450 system is: NADPH → FAD → FMN → P450 → O2

During reduction reactions, a chemical can enter futile cycling, in which it gains a free-radical electron, then promptly loses it to oxygen (to form a superoxide anion).

Hydrolysis Edit

Phase II – conjugation Edit

In subsequent phase II reactions, these activated xenobiotic metabolites are conjugated with charged species such as glutathione (GSH), sulfate, glycine, or glucuronic acid. Sites on drugs where conjugation reactions occur include carboxy (-COOH), hydroxy (-OH), amino (NH2), and thiol (-SH) groups. Products of conjugation reactions have increased molecular weight and tend to be less active than their substrates, unlike Phase I reactions which often produce active metabolites. The addition of large anionic groups (such as GSH) detoxifies reactive electrophiles and produces more polar metabolites that cannot diffuse across membranes, and may, therefore, be actively transported.

These reactions are catalysed by a large group of broad-specificity transferases, which in combination can metabolise almost any hydrophobic compound that contains nucleophilic or electrophilic groups. [1] One of the most important classes of this group is that of the glutathione S-transferases (GSTs).

Phase III – further modification and excretion Edit

After phase II reactions, the xenobiotic conjugates may be further metabolized. A common example is the processing of glutathione conjugates to acetylcysteine (mercapturic acid) conjugates. [11] Here, the γ-glutamate and glycine residues in the glutathione molecule are removed by Gamma-glutamyl transpeptidase and dipeptidases. In the final step, the cysteine residue in the conjugate is acetylated.

Conjugates and their metabolites can be excreted from cells in phase III of their metabolism, with the anionic groups acting as affinity tags for a variety of membrane transporters of the multidrug resistance protein (MRP) family. [12] These proteins are members of the family of ATP-binding cassette transporters and can catalyse the ATP-dependent transport of a huge variety of hydrophobic anions, [13] and thus act to remove phase II products to the extracellular medium, where they may be further metabolized or excreted. [14]

The detoxification of endogenous reactive metabolites such as peroxides and reactive aldehydes often cannot be achieved by the system described above. This is the result of these species' being derived from normal cellular constituents and usually sharing their polar characteristics. However, since these compounds are few in number, it is possible for enzymatic systems to utilize specific molecular recognition to recognize and remove them. The similarity of these molecules to useful metabolites therefore means that different detoxification enzymes are usually required for the metabolism of each group of endogenous toxins. Examples of these specific detoxification systems are the glyoxalase system, which acts to dispose of the reactive aldehyde methylglyoxal, and the various antioxidant systems that remove reactive oxygen species.

Quantitatively, the smooth endoplasmic reticulum of the liver cell is the principal organ of drug metabolism, although every biological tissue has some ability to metabolize drugs. Factors responsible for the liver's contribution to drug metabolism include that it is a large organ, that it is the first organ perfused by chemicals absorbed in the gut, and that there are very high concentrations of most drug-metabolizing enzyme systems relative to other organs. If a drug is taken into the GI tract, where it enters hepatic circulation through the portal vein, it becomes well-metabolized and is said to show the first pass effect.

Other sites of drug metabolism include epithelial cells of the gastrointestinal tract, lungs, kidneys, and the skin. These sites are usually responsible for localized toxicity reactions.

The duration and intensity of pharmacological action of most lipophilic drugs are determined by the rate they are metabolized to inactive products. The Cytochrome P450 monooxygenase system is the most important pathway in this regard. In general, anything that increases the rate of metabolism (par exemple., enzyme induction) of a pharmacologically active metabolite will diminuer the duration and intensity of the drug action. The opposite is also true (par exemple., enzyme inhibition). However, in cases where an enzyme is responsible for metabolizing a pro-drug into a drug, enzyme induction can speed up this conversion and increase drug levels, potentially causing toxicity.

Divers physiological et pathological factors can also affect drug metabolism. Physiological factors that can influence drug metabolism include age, individual variation (par exemple., pharmacogenetics), enterohepatic circulation, nutrition, intestinal flora, or sex differences.

In general, drugs are metabolized more slowly in fetal, neonatal and elderly humans and animals than in adults.

Genetic variation (polymorphism) accounts for some of the variability in the effect of drugs. With N-acetyltransferases (involved in Phase II reactions), individual variation creates a group of people who acetylate slowly (slow acetylators) and those who acetylate quickly, split roughly 50:50 in the population of Canada. This variation may have dramatic consequences, as the slow acetylators are more prone to dose-dependent toxicity.

Cytochrome P450 monooxygenase system enzymes can also vary across individuals, with deficiencies occurring in 1 – 30% of people, depending on their ethnic background.

Dose, frequency, route of administration, tissue distribution and protein binding of the drug affect its metabolism.

Pathological factors can also influence drug metabolism, including liver, kidney, or heart diseases.

In silico modelling and simulation methods allow drug metabolism to be predicted in virtual patient populations prior to performing clinical studies in human subjects. [15] This can be used to identify individuals most at risk from adverse reaction.

Studies on how people transform the substances that they ingest began in the mid-nineteenth century, with chemists discovering that organic chemicals such as benzaldehyde could be oxidized and conjugated to amino acids in the human body. [16] During the remainder of the nineteenth century, several other basic detoxification reactions were discovered, such as methylation, acetylation, and sulfonation.

In the early twentieth century, work moved on to the investigation of the enzymes and pathways that were responsible for the production of these metabolites. This field became defined as a separate area of study with the publication by Richard Williams of the book Detoxication mechanisms in 1947. [17] This modern biochemical research resulted in the identification of glutathione S-transferases in 1961, [18] followed by the discovery of cytochrome P450s in 1962, [19] and the realization of their central role in xenobiotic metabolism in 1963. [20] [21]


How could pharmaceutical metabolizing bacteria be used to synthesize them? - La biologie

The best way to mix the large vat in order to keep nutrient levels, temperature, and oxygen levels constant.

The ideal rate of pulling off some of the culture in order to maintain the cells in log phase.

The ideal rate of input of new nutrients into the culture to maintain the cells in log phase.

The best way to keep the pH of the entire mixture at the ideal level to promote log phase growth.

a packet containing chemicals that generate carbon dioxide and hydrogen is used in a(n) candle/anaerobic jar.

atmospheric oxygen in a(n) candle/anaerobe jar is converted to water.

oxidizing agents are incorporated into the media that react with oxygen.

Streak the sample for isolation on a MacConkey agar plate (which contains lactose and a pH indicator that turns pink when acid byproducts are present).

Streak the sample for isolation on a blood agar plate (which contains lactose AND red blood cells that enrich the culture for iron).

None of the above would work-there's no way to reliably determine this feature from the specimen given.

metabolically active cells.

vigorously dividing cells.

dormant, metabolically inactive cells.

temperature gradients AND pH gradients

sunlight AND metabolizing chemical compounds.

sunlight AND temperature gradients.

may significantly inhibit bioremediation efforts.

may protect organisms against harmful chemicals.

are a peptidoglycan-encased community of microorganisms.

Streak the sample for isolation on Thayer-Martin agar (which contains lactose and particular antibiotics for selectivity).

None of the above would work-there's no way to reliably determine this feature from the specimen given.

Streak the sample for isolation on a blood agar plate (which contains lactose AND red blood cells that enrich the culture for iron).

refers to a hydrolysate of proteins used in growth media.

consists of a water extract of beef.

refers to a hydrolysate of carbohydrates used in growth media.

refers to a hydrolysate of proteins used in growth media AND consists of a water extract of beef.

often grow in close association with many other kinds of organisms.

may remain in a prolonged exponential phase.

frequently synthesize structures such as slime layers.

may adhere to surfaces by means of pili and slime layers.

grown at a pH of 5 AND grown at 40C.

grown on agar containing chocolate AND grown at 40C.

grown on agar containing blood AND grown at 40C.

The temperature is probably different-the thermal vent would be very hot, while these researchers are trying to grow this microbe at room temperature.

Oxygen concentrations are very different between the two environments-it's possible the microbe is a strict anaerobe and is poisoned by the air (oxygen) in the lab.

Salt concentrations might be different in the media the researchers are attempting to use and the salt water the microbe is used to living in. This might be causing osmotic pressure differences that the microbe can't tolerate.

The pressure isn't the same at sea level as it is on the ocean floor and the microbe may require a very specific pressure.


The DNA revolution: a starring role for bacteria

The second half of the 20th century saw rapid breakthroughs in our understanding of how DNA (the genetic material within every cell ) functions. Within a couple of decades, scientists discovered what DNA looks like, how it acts as instructions for making the cell’s proteins, how DNA sequences can be altered and how DNA can be moved between different species .

Bacteria – particularly the bacterium Escherichia coli – have been central to this revolution. C'était E. coli that was the first host for foreign DNA, and plasmid DNA from E. coli has been a crucial tool for working with pieces of DNA from all species.


Comparative Genomics in Prokaryotes

T. RYAN GREGORY , ROB DESALLE , in The Evolution of the Genome , 2005

HGT between Bacteria and Archaea

Although far more emphasis has been placed on the study of horizontal transfer in Bacteria, there is evidence that the process also occurs among species of Archaea ( Boucher et al., 2003 ). Transfer across these domains might be considered unlikely given the common (but incomplete) impression of Archaea as extremophiles experiencing little contact with bacteria, but there nevertheless are signs that such events do take place when bacteria and archaea share a common environment (e.g., Snel et al., 2002 Boucher et al., 2003 Brown, 2003 ).

As one commonly cited example, completion of the genome sequence of Thermotoga maritima, a thermophile and member of one of the deepest branching and most slowly evolving lineages of bacteria, revealed 24% of its genome to be more similar to representatives of the Archaea than to other bacteria, a much higher percentage than in most bacterial species ( Logsdon and Faguy, 1999 Nelson et al., 1999 ). The preferred explanation for this unusual similarity was that there had been extensive horizontal gene transfer between the T. maritima and archaeon lineages ( Nelson et al., 1999 ). Similarly, Aravind et al. (1998) suggested that at least 10% of the genes of the thermophilic bacterium Aquifex aeolicus had been transferred from extremophilic archaea, although a revised estimate was closer to 4% ( Aravind et al., 1999 Logsdon and Faguy, 1999 ). It bears noting that several alternative explanations (some of which were considered and rejected by Nelson et al., 1999 , and Aravind et al., 1999 ) have been offered for these patterns, including differential gene loss and/or divergence in thermophilic versus nonthermophilic bacteria, the expansion and resulting overrepresentation of a few gene families related to archaeal sequences, an ancient shared ancestry between the hyperthermophilic bacteria and archaeons (each of which is among the oldest lineages in its respective domain), or simply a current lack of orthologs from other bacteria in the existing gene databases ( Kyrpides and Olsen, 1999 Logsdon and Faguy, 1999 Brown, 2003 ).

Bacteria and Archaea may also cohabitate, and thus encounter opportunities to exchange genes, in nonextreme environments. Methanogenic archaea are very common in mammalian digestive tracts, for example, and therefore come into contact with well-known bacteria like E. coli. Importantly, it seems that the transfer of archaeal genes may have played a role in the emergence of pathogenicity in virulent strains of E. coli ( Faguy, 2003 ). As Faguy (2003) noted, if transfers can occur across these two (presumably) most distantly related domains, “then potentially any organism is a reservoir of virulence genes for pathogens.” There is also evidence that genes may pass from bacteria to methanogenic archaea, as for example with Methanosarcina mazei, about 30% of whose open reading frames appear to have closer affinities to bacterial sequences than to those of its fellow archaeons ( Deppenmeier et al., 2002 ).


Scientists Give Genetically Modified Organisms A Safety Switch

Scientists reprogrammed the common bacterium E. coli so it requires a synthetic amino acid to live.

Researchers at Harvard and Yale have used some extreme gene-manipulation tools to engineer safety features into designer organisms.

This work goes far beyond traditional genetic engineering, which involves moving a gene from one organism to another. In this case, they're actually rewriting the language of genetics.

The goal is to make modified organisms safer to use, and also to protect them against viruses that can wreak havoc on pharmaceutical production.

The Salt

Who Made That Flavor? Maybe A Genetically Altered Microbe

To understand what they've done, you may need to remember a bit of basic biology. The enzymes and other proteins in our bodies are all built from building blocks called amino acids. There are usually just 20 amino acids in nature. But George Church, a professor of genetics at Harvard Medical School, has created a bacterium that requires an additional amino acid, one made in the lab and not found in nature. His lab did that by rewriting the bacteria's genetic language to add a "word" that calls for this unnatural amino acid.

"So this really makes it a completely new branch of life," Church says.

These modified E. coli bacteria essentially speak a different genetic language from all other life on Earth. That means they can't easily swap genes, which bacteria often do to pick up or get rid of traits. And it also means that these modified E. coli must be fed the synthetic amino acid to survive.

"It will die as soon as you remove that essential nutrient," Church says.

The scientists say this radical re-engineering actually makes these synthetic life forms safer, because if they escape into the wild they'll die. One key question is whether these engineered bacteria can shed the traits that make them dependent on the synthetic amino acid. (Bacteria mutate all the time, picking up new traits and dropping others).

Genzyme had to halt production at its Allston, Mass., pharmaceutical plant in 2009, after bacteria used in manufacturing were contaminated with viruses. Brian Snyder/Reuters Landov masquer la légende

Genzyme had to halt production at its Allston, Mass., pharmaceutical plant in 2009, after bacteria used in manufacturing were contaminated with viruses.

Brian Snyder/Reuters Landov

Church says that if his lab had modified just one trait, the bacteria would have a one in a million chance of getting rid of this safety feature. But by modifying several traits, he says the odds are more like one in a trillion that the bacteria can survive without the synthetic amino acid.

These modified organisms have another plus: With their altered genetic code, they are resistant to viruses that frequently attack bacteria. Viruses need the conventional DNA language in order to infect bacteria. So this is a selling point for industries that use E. coli.

"If you get your factory contaminated, it can be hard to clean out for a year," Church says, pointing to an episode at Genzyme Corp., a Cambridge, Mass., pharmaceutical manufacturer, in 2009. Viruses there contaminated a plant where bacteria were used to make drugs for two rare genetic disorders, Gaucher disease and Fabry disease, cutting off supplies.

And industrial uses are potentially just the start for engineered organisms.

"This also sets the stage for opening up new types of applications going forward," said Farren Isaacs , an assistant professor of molecular, cell, and developmental biology at Yale University. Isaacs left Church's lab at Harvard to start his own at Yale. He has kept pace with his former boss. He, too, has built some safety features into E. coli. Their reports were published together Wednesday in the journal La nature.

Other uses might include engineering oil-eating bacteria to use on a spill. They could be killed off when they're done by withholding the essential nutrient. Isaacs says scientists could also engineer bacteria to produce probiotics for human consumption.

It's harder to think about how this technology could be used in agriculture. Countless acres of genetically engineered crops would need to be fed this manmade ingredient, from a crop duster or by some other means. Scientists would also need to show that the synthetic protein component is safe to eat.

"I think it's commendable they're starting to design safety into genetically modified organisms," says Jennifer Kuzma, co-director of the Genetic Engineering and Society Center at North Carolina State University. "However, I don't really think it's going to affect the public perception that much or the way we have to deal with the uncertainty anyway. You may reduce the chance of spread, but you cannot eliminate it completely."

Science doesn't offer absolutes. But this technology is evolving quickly, and Church says it's important to engineer in safety features as they go.