Синтетическая хромосома позволяет проводить быстрое «эволюционирование» дрожжей по запросу

Команда исследователей из Университета Джонса Хопкинса сконструировала с нуля компьютерно-спроектированную хромосому дрожжей, встроив в неё новую систему, позволяющую учёным целенаправленно перестраивать генетический материал. Отчёт об их работе опубликован 14 сентября как Advance Online Publication в журнале Nature.

«Мы создали исследовательский инструмент, который не только позволяет нам больше узнать о биологии дрожжей и геномов, но и открывает возможность когда-нибудь проектировать геномы для конкретных целей, например, для создания новых вакцин или лекарств», — говорит Джеф Д. Боеке, профессор молекулярной биологии и генетики.

Целью при проектировании синтетической хромосомы дрожжей было сделать её максимально полезной для исследователей, следуя правилам: продукт не должен был ставить под угрозу выживание дрожжей; он должен быть максимально оптимизирован; и он должен был содержать возможность для генетической гибкости и изменений.

Используя уже известную полную генетическую последовательность генома дрожжей в качестве отправной точки, была написана программа для внесения систематических изменений в последовательность ДНК. Целью изменений было создание мутировавшей «версии 2.0» исходной хромосомы 9R дрожжевой клетки. Хромосома 9R, самая маленькая в геноме дрожжей, содержит около 100 000 пар оснований ДНК и представляет около одного процента генома одноклеточного организма.

Сборка реальной хромосомы началась с соединения отдельных оснований ДНК в более длинные сегменты. Крупные сегменты длиной около 10 000 пар оснований были в конечном итоге помещены в живые дрожжевые клетки и, по сути, заменены на их естественные аналоги в хромосоме. Дрожжевые клетки, содержащие синтетические хромосомы, были протестированы на способность расти на разных питательных веществах и в разных условиях, и в каждом случае оказались неотличимы от природных дрожжей.

То, что отличает эту сконструированную хромосому от природной версии — и выделяет её среди других проектов синтетических геномов — это «индуцируемая система эволюции» под названием SCRaMbLE (Synthetic Chromosome Rearrangement and Modification by Lox-P mediated Evolution).

«Мы разработали SCRaMbLE, чтобы иметь возможность "дернуть за спусковой крючок" мутации — по сути, заставляя синтетическую хромосому перестраиваться и внося изменения, подобные тем, что могут происходить в ходе эволюции, но без долгого ожидания», — объясняет Боеке.

Команда активировала SCRaMbLE в дрожжах, содержащих как синтетическую хромосому 9R, так и 6L, а затем проанализировала ДНК из дрожжевых клеток. При тестировании этой популяции «SCRaMbLE-дрожжей» на различных питательных веществах они обнаружили, что одни растут быстро, другие — медленно, а третьи — очень медленно. Некоторые из быстрорастущих имели очень специфические дефекты, вызванные потерей конкретных генов, что показывает, что SCRaMbLE действительно вносит случайные вариации. При анализе молекулярной структуры синтетических хромосом 9R и 6L из этой популяции были обнаружены хромосомы с небольшими делециями, перестройками и другими изменениями в самых разных местах.

«Если представить геном дрожжей как колоду карт, то теперь у нас есть система, с помощью которой мы можем тасовать её и/или удалять разные комбинации из 5000 этих карт, чтобы получить множество разных колод из одной и той же стартовой», — говорит Боеке.

Эксперименты с 9R и 6L — это «начало большого проекта, конечная цель которого — синтезировать весь геном дрожжей (около 6000 генов) и подвергнуть SCRaMbLE те 5000, которые, вероятно, могут быть утрачены по отдельности». Боеке хочет сделать этот инструмент доступным для любого, кто захочет его использовать, без защиты интеллектуальной собственности.