Революция в биологии: геном полусинтетических дрожжей открывает новые горизонты генной инженерии

 Это часть проекта, направленного на создание первого синтетического генома эукариот.

Дрожжи часто используются в качестве модельного организма для наших собственных клеток. (Фото: iflscience.com)

Синтетическая ДНК может показаться фантастикой, но она быстро становится реальностью. Исследователи создали дрожжевую клетку, геном которой более чем на 50 процентов является синтетическим, включая первую в мире полностью синтетическую хромосому.

Ранее ученые создавали синтетические бактериальные и вирусные геномы, но следующим шагом стали эукариотические клетки, геном которых полностью содержится в мембраносвязанном ядре. Дрожжи, возможно, были естественным выбором для этого, поскольку пекарские дрожжи ( Saccharomyces cerevisiae ) имеют компактный геном, состоящий всего из 16 хромосом, и обладают врожденной способностью сшивать ДНК вместе.

Однако исследователи, участвующие в проекте «Синтетический геном дрожжей» (Sc2.0), хотели сделать нечто немного иное, чем просто синтез ДНК, предоставив дрожжам « дизайнерский» геном. «Мы решили, что важно создать что-то, что было бы сильно изменено по сравнению с замыслом природы», — сказал в своем заявлении старший автор и руководитель Sc2.0 Джеф Буке . «Нашей главной целью было создание дрожжей, которые могли бы научить нас новой биологии».

Создание синтетического генома

Команда сначала удалила из генома так называемую « мусорную » ДНК и заменила ее новыми фрагментами ДНК, чтобы помочь им различать синтетические и нативные гены, после чего порядок генов был перетасован. Предстояло также удалить еще один ключевой элемент — гены тРНК. 

Хотя кодируемые ими белки играют решающую роль в клетках, гены тРНК также делают геном дрожжей нестабильным. Совершив революционный шаг, исследователи удалили их и переместили в совершенно новую «неохромосому», полностью основанную на гене т-РНК. «Неохромосома тРНК — это первая в мире полностью синтетическая хромосома de novo», — сказал соавтор Патрик Ижи Цай. «Ничего подобного в природе не существует».

Помимо неохромосомы, исследователи собрали каждую из хромосом независимо, прежде чем создать 16 частично синтетических штаммов дрожжей, каждый из которых имеет 15 натуральных хромосом и одну синтетическую.

Собираем кусочки вместе

Затем последовала сложная часть — собрать все синтетические хромосомы в одну дрожжевую клетку. Это включало сочетание классической генетической техники – скрещивания – и некоторых совершенно новых методов. Скрещивание было медленным, и хотя полученные дрожжи имели геном, более чем на 30 процентов синтетический, исследователи стремились к большему.

После использования нового метода, называемого заменой хромосом, и метода, аналогичного CRISPR /Cas9, для исправления генетических дефектов, они получили единственную дрожжевую клетку, содержащую более 50 процентов синтетической ДНК. Изменение генома могло привести к тому, что дрожжи выросли или стали выглядеть ненормально, но благодаря тщательной обработке они выжили и даже размножились так же, как дикие дрожжи.

«Команда переписала операционную систему почкующихся дрожжей, что открывает новую эру инженерной биологии — переход от обработки нескольких генов к дизайну de novo и конструированию целых геномов», — сказал Цай.

Следующие шаги

Дрожжи уже давно являются основным продуктом производства продуктов питания и напитков – именно поэтому у нас есть приличный хлеб и пиво , все говорят «Спасибо, дрожжи» – и в науке, в химическом производстве и в качестве модельного организма. С помощью синтетической ДНК мы могли бы добиться нескольких успехов в этих областях, как объяснил в своем заявлении Бен Блаунт, один из ведущих ученых .

 «Синтетические хромосомы сами по себе являются огромным техническим достижением, но они также откроют огромный спектр новых возможностей для изучения и применения биологии. Это может варьироваться от создания новых штаммов микробов для более экологичного биопроизводства до помощи нам в понимании болезней и борьбе с ними.

Следующим шагом будет помещение всех 16 синтетических хромосом в одну дрожжевую клетку. Это немалое достижение, но исследователи полны надежд. «Сейчас мы очень далеки от финишной черты наличия всех 16 хромосом в одной клетке», — сказал Буке. 

«Мне нравится называть это концом начала, а не началом конца, потому что именно тогда мы действительно сможем начать тасовать эту колоду и производить дрожжи, которые могут делать то, чего мы никогда раньше не видели».

Источник