Отредактированный штамм выживает и реплицируется, несмотря на наличие 7,5 искусственных хромосом.
Биологи создали штамм дрожжей, геном которых более чем на 50% состоит из синтетической ДНК. Стандартные пивные дрожжи (Saccharomyces cerevisiae) хранят свой генетический план в 16 хромосомах. В новом штамме 6,5 хромосом были отредактированы и синтезированы в лаборатории, а еще одна хромосома была сшита из отредактированных фрагментов генетического кода дрожжей.
Это достижение стало очередной вехой в работе группы лабораторий под названием "Консорциум Sc2.0", которые уже 15 лет пытаются создать штамм дрожжей с полностью синтетическим геномом. В серии статей, опубликованных на прошедшей неделе в журналах Cell и Cell Genomics, описывается результат работы группы, способ получения нового штамма и другие тесты, проведенные с дрожжевым геномом.
Некоторые вирусы и бактерии уже были сконструированы таким образом, чтобы иметь полностью синтетические геномы, но все они имели простую генетическую структуру - например, бактерия Escherichia coli имеет всего одну хромосому. Они также имели простую внутреннюю конфигурацию: бактерии, например, являются прокариотами, то есть одноклеточными, без ядра, в котором хранятся их хромосомы. Если группа Sc2.0, в которую входят исследователи из лабораторий Азии, Европы, Северной Америки и Океании, сможет достичь своей цели, то созданные ею дрожжи станут первым эукариотом с полностью синтетическим геномом.
Команда Sc2.0 надеется манипулировать своими синтетическими пивными дрожжами таким образом, чтобы в будущем они могли производить не пиво, а лекарства и топливо. Но у этого поиска есть и другие преимущества, считает Джеф Бёке, биолог-синтетик из Нью-Йоркского университета и руководитель проекта. Настраивая организм, не препятствуя его выживанию, "мы узнаем много нового о биологии дрожжей", - говорит он.
Нили Остров, главный научный сотрудник Cultivarium, некоммерческой фирмы, занимающейся разработкой методов для биоинженеров, говорит, что Sc2.0 "расширяет границы возможного в биологии". Исторически сложилось так, что генные инженеры занимались модификацией отдельных генов в организмах. Теперь биологи могут увидеть, что происходит, когда они перестраивают целые хромосомы. "Это позволяет задавать вопросы, которые раньше задавать было нельзя", - говорит Остров. По ее словам, в ходе проекта создаются методы, которые могут способствовать развитию биологической инженерии.
Одна из основных целей проекта Sc2.0 - устранить потенциальные источники нестабильности в геноме дрожжей. Одним из таких источников являются большие участки повторяющейся ДНК, которые ничего не кодируют, но могут рекомбинировать друг с другом в ходе естественных процессов, вызывая серьезные структурные изменения в геноме. Биологи-синтетики хотят иметь полный контроль над создаваемыми ими дрожжами, поэтому они прочесали геном S. cerevisiae с помощью компьютерных программ, чтобы найти высокоповторяющиеся участки, а затем удалили их. По словам Бёке, эти последовательности фактически являются "паразитами генома".
Еще одним изменением, направленным на снижение нестабильности, стало удаление из хромосом всех сегментов ДНК, кодирующих трансферные РНК, и их перемещение в полностью синтетическую "неохромосому ". Трансферные РНК (тРНК) играют важнейшую роль в функционировании клетки - они переправляют аминокислоты к рибосоме, которая использует эти молекулы для создания белков. Но последовательности ДНК, кодирующие их, "являются очагами нестабильности", - поясняет Бёке. Поэтому перемещение их в собственную хромосому, созданную для большей стабильности, позволило ученым поставить синтетические дрожжи под более жесткий контроль и исследовать пределы биологии.
Чтобы собрать 7,5 синтетических хромосом в одну клетку, команда создала штаммы дрожжей, каждый из которых содержал одну из отредактированных хромосом, а также природные версии всех остальных. Затем они скрестили два таких штамма и отобрали потомство, содержащее две разные отредактированные хромосомы. Затем к этим штаммам добавили еще одну отредактированную хромосому и т.д. По словам Бёке, даже несмотря на значительные изменения в хромосомах, клетки с 7,5 хромосомами выживали и могли реплицироваться.
Хотя процесс создания клеток занимал много времени, но что действительно замедлило работу, так это отладка, отмечает Бёке. Сначала исследователи должны были проверить, жизнеспособна ли каждая дрожжевая клетка с новой синтетической хромосомой, то есть может ли она выжить и нормально функционировать, а затем устранить все проблемы путем изменения генетического кода. Когда две или более синтетических хромосом находятся в одной клетке, это может привести к появлению новых ошибок, которые необходимо исправить, поэтому проблема отладки усложняется по мере продвижения процесса.
Проект Sc2.0 позволяет ученым проверить вопросы, которые раньше были невозможны, говорит Остров, - например, "что произойдет, если внедрить хромосомы, которых раньше не было?". По словам Бёке, в настоящее время команда работает над заменой оставшихся естественных хромосом на полностью синтетические, добавляя новые хромосомы по одной, а затем отлаживая все более сложную систему. "Придется многое делать заново", - подчеркивает он.
