Биологи создали первую функциональную синтетическую дрожжевую хромосому

Дрожжи являются эукариотами, как и люди. У них гораздо более сложный геном, чем у бактериальных паразитов

(фото NYU Langone Medical Center).

Джеф Боуке, ведущий автор исследования

(фото NYU Langone Medical Center).

Схематичное изображение в виде змейки синтетической хромосомы дрожжей

(иллюстрация NYU Langone Medical Center).

Для того чтобы синтезировать геном бактериального паразита, генетику Крейгу Вентеру (Craig Venter) потребовалось 15 лет и $40 миллионов. Теперь его коллеги сообщают о завершении нового проекта. Исследователям из Нью-Йорка впервые удалось реконструировать и воссоздать синтетическую хромосому для дрожжей вида Saccharomyces cerevisiae.

В отличие от предыдущих организмов, с которыми работали учёные, S. cerevisiae является представителем домена эукариотов, к которым принадлежат также все животные и люди. Эукариоты, обладающие ядрами клеток, имеют намного более сложный геном.

Новая синтетическая хромосома, впрочем, лишена нескольких последовательностей ДНК и других элементов. Она состоит из 272871 пары оснований, что составляет около 2,5% от общего числа пар оснований в геноме S. cerevisiae, которых насчитывают около 12 миллионов.

Как сообщают авторы нового исследования в статье, опубликованной в журнале Science, полный геном S. cerevisiae планируется восстановить в течение последующих пяти лет.

Дрожжи являются эукариотами, как и люди. У них гораздо более сложный геном, чем у бактериальных паразитов
(фото NYU Langone Medical Center).

Проект стартовал несколько лет назад, когда генетик Джеф Буке (Jef Boeke), специалист по геному дрожжей из Нью-Йоркского университета, попытался воссоздать геном S. cerevisiae, но при гораздо более значительных отличиях от природного прототипа, чем это было сделано в итоге.

Тогда же группа Вентера, базирующаяся в его институте в Роквилле, штат Мэриленд, химически синтезировала короткие нити ДНК и скрепила их вместе, чтобы получить версию генома бактерии Mycoplasma mycoides, состоящего из 1,1 миллиона пар оснований. Полученный протоорганизм затем внедрили в клетку-реципиент.

Исследователи также поставили свои "водяные знаки" в нескольких последовательностях генома: клеймо содержало имена членов команды, а также несколько известных цитат. Но кроме этих небольших поправок, геном M. mycoides был полностью идентичен природному прототипу.

Тем не менее, Боуке и его коллеги полагали, что необходимо лишить организм нескольких функций, чтобы проверить их важность. Только так, по их мнению, можно было бы оправдать огромные затраты на синтез целой хромосомы.

Джеф Боуке, ведущий автор исследования
(фото NYU Langone Medical Center).

"Я и не сомневался, что это возможно сделать. Основной вопрос состоял в том, как мы можем создать нечто отличное от нормальной хромосомы и внедрить его в живой организм?" — рассказывает Боуке.

Учёные решили не внедрять в синтетическую хромосому несколько последовательностей ДНК, например, элементы с возможностью перемещения по геному, известные как транспозоны, а также участки ДНК, которые не кодируют белки — интроны. Наравне с этим хромосому дополнили "системой преобразования" (scrambling system), которая перемешивает и удаляет гены. Таким образом стало возможным проверить точную функцию каждого участка ДНК.

Спустя некоторое время Боуке пришёл к выводу, что необходимо искать новые пути синтезирования отдельных участков ДНК. Генетик нанял команду студентов из университета Джонса Хопкинса, где читал курс лекций в 2007 году. Каждый студент строил свой ​​собственный участок генома дрожжей, "сшивая" вместе очень короткие отрезки ДНК, созданные машиной синтеза ДНК. Получив более крупные отрезки, исследователи внедряли их в дрожжевую хромосому порой по нескольку отрезков за раз. Эта методика называется гомологичной рекомбинацией.

Схематичное изображение в виде змейки синтетической хромосомы дрожжей
(иллюстрация NYU Langone Medical Center).

В конце концов этот скрупулёзный труд привёл к созданию единой полностью синтетической третьей хромосомы дрожжей S. cerevisiae.

Несмотря на все модификации, дрожжевые клетки, содержащие синтетическую хромосому, развивались и росли точно так же, как и остальные.

"Удивительно, что мы удалили, добавили и изменили более 50 тысяч из 250 тысяч пар оснований, но хромосома всё равно функционировала!" — сообщает Боуке.

Вдохновлённые успехом коллеги Боуке решили продолжить работу и предложили ещё несколько грандиозных идей. К примеру, они планируют в ближайшее время создать полноценнный синтетический геном дрожжей. Посредством такой работы можно будет "покопаться" в самых скрытых от глаз тайнах жизни, понять, что за что отвечает и как функционирует организм.

Боуке уже набирает международную команду биологов и генетиков со всего мира для создания с нуля полностью синтетического генома дрожжей. Более того, учёный утверждает, что половина последовательностей уже создана, осталось лишь завершить работу и заставить синтетическую жизнь функционировать.

"Эта работа является ещё одним ярким примером того, как синтетическая биология может быть использована, чтобы переписать последовательности хромосом в значительном масштабе. Исследование Боуке является прелюдией и демонстрирует возможность обширного рефакторинга и упорядочения других хромосом", — комментирует достижение Крейг Вентер.

Генетики отмечают в пресс-релизе, что около 6 тысяч генов, функциональных и кодирующих белки, у дрожжей и людей одинаковые. Кто знает, возможно, и синтетическая ДНК человека появится в лаборатории биологов в ближайшие десятилетия, тем более, что у людей геном далеко не самый сложный.

Также по теме:
Учёные работают над созданием синтетических дрожжей
В США учёные совершили прорыв в генетике
Знаменитый генетик приблизился к созданию синтетической жизни
Синтетические биологи готовятся найти ДНК на Марсе
Искусственная ДНК изменит мир