Первый функциональный «дизайнерский» хромосома синтезирована в дрожжах
Международная команда ученых под руководством Джефа Бойке (Jef Boeke), доктора философии, директора Института системной генетики Медицинского центра NYU Langone, синтезировала первую функциональную хромосому в дрожжах. Это важный шаг в развивающейся области синтетической биологии, целью которой является создание микроорганизмов для производства новых лекарств, сырья для пищи и биотоплива.
За последние пять лет ученые создавали бактериальные хромосомы и вирусную ДНК, но это первый случай создания с нуля целой эукариотической хромосомы — нитевидной структуры, несущей гены в ядре всех растительных и животных клеток. Это также одно из наиболее значительных достижений в генетике дрожжей с 1996 года, когда был впервые составлен полный генетический код дрожжей.
Ключевое достижение
В выпуске журнала Science от 27 марта команда сообщает о создании с помощью компьютерного проектирования полностью функционирующей хромосомы, названной synIII, и успешном внедрении ее в пивные дрожжи (Saccharomyces cerevisiae).
Характеристики синтетической хромосомы
- Семилетняя работа по конструированию synIII объединила 273 871 пар оснований ДНК, что короче природного аналога (316 667 пар).
- Было внесено более 500 изменений в генетическую основу:
- Удалены повторяющиеся участки из примерно 47 841 пар оснований, признанные несущественными для репродукции и роста хромосомы.
- Удалена так называемая «мусорная ДНК», включая участки, не кодирующие белки, и подвижные генетические элементы («прыгающие гены»).
- Добавлены или изменены другие наборы пар оснований для маркировки ДНК как синтетической или природной, а также для удаления или перемещения генов на synIII.
Функциональность и новые возможности
Дрожжевые клетки с синтетической хромосомой ведут себя почти идентично диким клеткам, но обладают новыми возможностями. Ключевым инструментом стала техника «перетасовки» (scrambling), позволяющая ученым перемешивать гены, как колоду карт. Это открывает путь к быстрому созданию синтетических штаммов дрожжей с улучшенными свойствами для выживания в различных условиях.
Практическое значение
Новая технология может ускорить разработку синтетических штаммов дрожжей для:
- Производства редких лекарств (например, артемизинина от малярии).
- Создания определенных вакцин (например, вакцины против гепатита B).
- Разработки более эффективных видов биотоплива (спирт, бутанол, биодизель).
Исследовательский процесс и проверка
Перед тестированием техники перетасовки ученые оценили репродуктивную пригодность synIII, сравнив ее рост и жизнеспособность с природной хромосомой III в 19 различных условиях среды. Скорости роста остались одинаковыми во всех, кроме одного, условиях. Генетическая структура unscrambled synIII оставалась intact после 125 клеточных делений, а частота потери хромосомы была лишь незначительно выше, чем у природного аналога. Техника перетасовки была успешно проверена на примере превращения клетки, не способной к спариванию, в клетку, способную к спариванию, путем удаления соответствующего гена.
Международное сотрудничество и будущее
В работе, являющейся частью международного проекта Sc2.0 по реконструкции всего генома дрожжей, участвовали около 60 студентов-бакалавров в рамках проекта «Build a Genome». Следующие шаги команды включают синтез более крупных дрожжевых хромосом быстрее и дешевле, а также дальнейшие исследования с перетасовкой synIII.