За последние пять лет ученые построили бактериальные хромосомы и вирусную ДНК, но это первый отчет о цельной эукариотической хромосоме, нитевидной структуре, несущей гены в ядрах всех клеток растений и животных, построенной с нуля. Исследователи говорят, что глобальные усилия их команды также знаменуют собой одно из самых значительных достижений в генетике дрожжей с 1996 года, когда ученые первоначально составили карту всего ДНК-кода дрожжей, или генетического плана.«Наши исследования перемещают иглу синтетической биологии от теории к реальности», — говорит д-р Боке, пионер синтетической биологии, недавно поступивший в Нью-Йоркский университет Лангоне из Университета Джона Хопкинса.«Эта работа представляет собой самый большой шаг в международных усилиях по созданию полного генома синтетических дрожжей», — говорит д-р Бёке. «Это наиболее сильно измененная хромосома из когда-либо созданных.
Но действительно важно интегрировать ее в живую дрожжевую клетку. Мы показали, что дрожжевые клетки, несущие эту синтетическую хромосому, на удивление нормальны.
Они ведут себя почти так же, как клетки диких дрожжей, только теперь они обладают новыми возможностями и могут делать то, чего не могут дикие дрожжи ».В выпуске журнала Science online от 27 марта команда сообщает, как с помощью компьютерного моделирования они построили полностью функционирующую хромосому, которую они назвали synIII, и успешно внедрили ее в пивные дрожжи, известные в науке как Saccharomyces cerevisiae.Семилетние попытки сконструировать synIII соединили вместе около 273 871 пар оснований ДНК, что короче, чем у его нативного дрожжевого аналога, который имеет 316 667 пар оснований. Доктор Боке и его команда внесли более 500 изменений в его генетическую основу, удалив повторяющиеся участки примерно из 47 841 пары оснований ДНК, которые считались ненужными для воспроизводства и роста хромосом.
Также было удалено то, что обычно называют мусорной ДНК, включая пары оснований, которые, как известно, не кодируют какие-либо конкретные белки, и сегменты «прыгающего гена», которые, как известно, случайным образом перемещаются и вносят мутации. Другие наборы пар оснований были добавлены или изменены, чтобы исследователи могли помечать ДНК как синтетическую или нативную, а также удалять или перемещать гены на synIII.«Когда вы меняете геном, вы играете в азартные игры. Одно неверное изменение может убить клетку», — говорит доктор Боке. «Мы внесли более 50 000 изменений в код ДНК в хромосоме, и наши дрожжи все еще живы.
Это примечательно. Это показывает, что наша синтетическая хромосома устойчива и наделяет дрожжи новыми свойствами».Этим титаническим усилиям помогли около 60 студентов бакалавриата, принявших участие в проекте «Построить геном», основанном доктором Боке из Университета Джона Хопкинса.
Студенты собрали воедино короткие фрагменты синтетической ДНК в участки от 750 до 1000 пар оснований или более, что было предпринято Сринивасаном Чандрасегараном, доктором философии, профессором Университета Джона Хопкинса. Чандрасегаран также является старшим исследователем группы исследований synIII.
Участие студентов положило начало тому, что стало международным усилием, сокращенно Sc2.0, в котором несколько академических исследователей объединились для реконструкции всего генома дрожжей, включая сотрудников университетов в Китае, Австралии, Сингапуре, Великобритании и других странах. Соединенные штатыХромосома III дрожжей была выбрана для синтеза, потому что она одна из самых маленьких из 16 хромосом дрожжей и контролирует, как дрожжевые клетки спариваются и претерпевают генетические изменения. ДНК состоит из четырех макромолекул оснований, обозначенных буквами, связанных вместе в соответствующие наборы или пары оснований в виде повторяющихся букв. «А» означает аденин, а буква «Т» — тимин; и «C» представляет собой цистеин в сочетании с «G» для гуанина.
Будучи сложенными, эти пары оснований образуют спиральную структуру ДНК, напоминающую скрученную лестницу.У дрожжей примерно треть из 6000 генов — функциональных единиц хромосомной ДНК, кодирующих белки — совпадает с человеческими.
Команда смогла манипулировать большими участками дрожжевой ДНК без ущерба для жизнеспособности и функции хромосом, используя так называемую технику скремблирования, которая позволила ученым перемешивать гены, как колоду карт, где каждый ген представляет собой карту. «Мы можем собрать любую группу карт, перемешать порядок и сделать миллионы и миллионы разных колод в одной маленькой пробирке с дрожжами», — говорит доктор Боке. «Теперь, когда мы можем перетасовать геномную колоду, это позволит нам спросить, можем ли мы составить колоду карт с лучшей рукой для выживания дрожжей в любых из множества условий, таких как переносимость более высокого уровня алкоголя».Исследователи говорят, что, используя метод скремблирования, они смогут быстрее разработать синтетические штаммы дрожжей, которые можно будет использовать в производстве редких лекарств, таких как артемизинин от малярии, или в производстве некоторых вакцин, включая вакцину против гепатита B. , который получают из дрожжей. По их словам, синтетические дрожжи также можно использовать для поддержки разработки более эффективных видов биотоплива, таких как спирт, бутанол и биодизель.
Это исследование, вероятно, также будет стимулировать лабораторные исследования конкретных функций генов и взаимодействий между генами, добавляет доктор Боке, чтобы понять, как целые сети генов определяют индивидуальное биологическое поведение.Их первоначальный успех в восстановлении функционирующей хромосомы, вероятно, приведет к созданию других хромосом дрожжей (у дрожжей всего 16 хромосом по сравнению с 23 парами человека) и приблизит генетические исследования на один шаг к построению всего функционирующего генома организма, говорит он.
Доктор Бёке.Доктор Боке говорит, что следующие шаги международной команды включают синтез более крупных хромосом дрожжей, быстрее и дешевле. Его команда при дальнейшей поддержке студентов Build a Genome уже работает над сборкой пар оснований в блоки из более чем 10 000 пар оснований.
Они также планируют исследования synIII, где они шифруют хромосому, удаляя, дублируя или изменяя порядок генов.Детализация процесса исследования вехиПеред тем, как протестировать технику скремблирования, исследователи сначала оценили репродуктивную пригодность synIII, сравнив его рост и жизнеспособность в расшифрованном виде — от одной клетки до колонии из многих клеток — с ростом нативных дрожжей III. Размножение дрожжей измерялось в 19 различных условиях окружающей среды, включая изменения температуры, кислотности и перекиси водорода, химического вещества, повреждающего ДНК.
Темпы роста оставались неизменными для всех условий, кроме одного.Дальнейшие тесты незашифрованного synIII с участием около 30 различных колоний после 125 делений клеток показали, что его генетическая структура осталась нетронутой при воспроизведении. По словам доктора Бёке, индивидуальная потеря хромосом в размере одного деления на миллион клеток является нормальным явлением при делении клеток.
Скорость потери хромосом для synIII была лишь незначительно выше, чем для нативных дрожжей III.Чтобы протестировать технику скремблирования, исследователи успешно преобразовали не спаривающуюся клетку с помощью synIII в клетку, которая могла бы спариваться, удалив ген, препятствующий спариванию.