Инженерные дрожжи побили новый рекорд: геном, содержащий более 50% синтетической ДНК

Высоко отредактированный штамм выживает и реплицируется, несмотря на то, что содержит 7,5 искусственных хромосом.

Биологи вывели штамм дрожжей, геном которых более чем на 50% состоит из синтетической ДНК. Стандартные пивные дрожжи (Saccharomyces cerevisiae) хранят свой генетический код 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 пакете статей, опубликованных вчера в журналах Cell^1,2 и Cell Genomics³, описывается достижение группы, способ получения нового штамма и другие тесты, проведенные с дрожжевым геномом. Ученые сократили смелый план по созданию генома человека с нуля.

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, были прокариотами, то есть одноклеточными, без ядра, в котором хранятся хромосомы. Если группе Sc2.0, в которую входят исследователи из лабораторий Азии, Европы, Северной Америки и Океании, удастся достичь своей цели, то созданные ею дрожжи станут первым эукариотом с полностью синтетическим геномом.

Эукариоты это организмы, клетки которых хранят свой генетический материал в ядре, к ним относятся человек, растения и животные.

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 (Jef Boeke), биолог-синтетик из Нью-Йоркского университета (New York University) и руководитель проекта. Настраивая организм, не мешая его выживанию, “мы узнаем много нового о биологии дрожжей”, говорит он.

Нили Остров, главный научный сотрудник Cultivarium, некоммерческой фирмы из Уотертауна (штат Массачусетс), занимающейся разработкой инструментов для биоинженеров, считает, 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 разрабатываются методы, которые могут способствовать развитию биологической инженерии.

Переписывание генома

Одна из основных задач 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 “. Транспортные РНК (тРНК) играют важнейшую роль в функционировании клетки они переправляют аминокислоты к аппарату, который использует эти молекулы для создания белков. Но последовательности ДНК, которые их кодируют, “являются очагами нестабильности”, говорит Бёке. Перемещение их в новую хромосому, рассчитанную на большую стабильность, позволило команде 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 остальных 15. 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 занял много времени, то, что действительно замедлило работу, это отладка, говорит 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 любые проблемы путем изменения генетического кода. Когда две или более синтетических хромосом находятся в одной клетке, это может привести к появлению новых ошибок, которые необходимо устранить, 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 ввести 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”, говорит он.