Об успехе в получении полусинтетических дрожжей рассказали в журнале Cell («Клетка»). Достижение — часть проекта по развитию синтетического генома Sc2.0. Над проблематикой трудится глобальное объединение учёных, поставивших перед собой цель создать первый синтетический геном эукариотов с нуля. На сегодняшний день исследователи синтезировали и отладили все 16 дрожжевых хромосом.
Напомним, что к домену (надцарству) эукариотов или ядерных относят все живые организмы, клетки которых содержат ядро. Собственно, таковым является всё живое, кроме бактерий и архей. То есть, и мы, люди, в том числе.
Патрик Ижи Цай из Манчестерского университета — специалист в области синтетической биологии и соавтор исследования. Он рассказал, что теперь, когда они с коллегами подробно описали генетику дрожжей, можно смело говорить о новой эре инженерной биологии — о переходе от изменения нескольких генов к созданию «с нуля» и конструированию геномов, то есть жизнеспособных генетических комплексов.
Ранее уже умели создавать в пробирках бактериальные и вирусные геномы. Но когда удастся получить первый полностью синтетический геном эукариотов, со свойственным ему множеством хромосом — это будет наступление новой эпохи во всей красе. Но геном синтетических дрожжей уже можно смело назвать «дизайнерским», созданным людьми, настолько он уже отличается от натурального природного генома пивных или пекарских дрожжей вида Saccharomyces cerevisiae. И всё потому, что над ним поработали биологи.
Мы решили, что важно достигнуть больших изменений относительно порождённого природой. Главной целью было создать дрожжи, которые смогут научить нас новой биологии
— Джеф Беке, старший соавтор научной работы и руководитель проекта Sc2.0.
Учёные удалили фрагменты некодирующей (не существенной для результата) ДНК и повторяющиеся элементы, которые порой называют генетическим мусором. А затем добавили новые фрагменты ДНК, чтобы было легче различать синтезированные и нативные (природные) гены. Затем применили метод SCRaMbLE, при котором перетасовываются гены и внутри хромосом, и между ними.
Чтобы увеличить жизнестойкость генома, исследователи также удалили многие гены, отвечающие за транспортную РНК (тРНК), и переместили их в совершенно новую хромосому из одних лишь генов тРНК. Неохромосома тРНК стала первой в мире вполне синтетической хромосомой, полученной «с нуля»: ничего подобного ей в природе попросту не существовало.
Геном дрожжей составляют 16 хромосом, так что исследователи начали с самостоятельной компоновки каждой из них для создания 16 отчасти синтетических штаммов (культур организмов). На том этапе каждый штамм состоял из 15 естественных хромосом и одной синтетической.
Следом возникла задача по сборке воедино именно синтетических хромосом, в небывалую дрожжевую клетку. На этой новой стадии принялись скрещивать различные отчасти искусственные культуры дрожжей. А затем выискивали среди их потомства особей, несущих в себе сразу обе синтетические хромосомы. Такой метод, похожий на опыты первооткрывателя наследственности Грегора Менделя с горохом, вполне эффективен. Но вместе с тем он отнял много времени.
Всё же в итоге биологи, «пересобрав», объединили все синтезированные ими хромосомы — и полные, и половинку, чаще называемую в науке «плечом хромосомы» — в единую клетку. Полученная культура дрожжей была более чем на 31% синтетической. Причём сохранила нормальную морфологию (строение) и лишь несущественно отставала при росте от натуральных, диких дрожжей. Для наглядности на фото из издания Cell — электронная микрофотография штамма дрожжей, который содержит около 31% синтетической ДНК при нормальном строении и делении.
А чтобы эффективнее переносить значимые хромосомы между штаммами учёные даже придумали метод замены хромосом, совершенно новый. Для доказательства успеха они применили замену хромосом для переноса вновь синтезированной хромосомы. И получили в итоге дрожжевую клетку, синтетическую более чем наполовину.
Когда все искусственные хромосомы объединили в итоговый штамм, то выявили генетические изъяны. И эти «баги» были незаметны в культурах дрожжей с одной синтетической хромосомой. Некоторые из сбоев появились из-за воздействия совсем незначительных дефектов в геноме, а другие возникли от «общения» между генами из синтетических хромосом. Однако затем исследователям удалось исправить некоторые из аномалий и повысить жизнеспособность новых искусственных дрожжей, в чём им помог метод редактирования генома CRISPR / Cas9. С учётом того, что речь пока шла лишь о доказательстве концепции и самой возможности, можно сказать, что начало синтетическим эукариотам положено.
Боке отметил, что в итоге удалось доказать возможность хотя бы наполовину синтезированного жизнеспособного генома, и остальное уже не должно стать значительной проблемой.
Следующим шагом будет интеграция оставшихся синтетических хромосом. Это означает шанс впоследствии производить вообще невиданные ранее дрожжи.
