Синтез пяти хромосом дрожжей с нуля
Эта работа — часть масштабного консорциума Synthetic Yeast 2.0, целью которого является проектирование и создание полностью синтетического генома Saccharomyces cerevisiae.
Достижение: В серии из семи статей в Science сообщается о синтезе пяти новых синтетических хромосом дрожжей. Вместе с ранее созданными синтетические последовательности теперь составляют более одной трети полного генома.
Методология: Работа велась по следующему конвейеру:
- Создание блоков ДНК длиной 700–2000 п.н.
- Сборка блоков in vitro или в дрожжах в «фрагменты» (chunks) по 10 т.п.н.
- Химическая лигация фрагментов в «мегафрагменты» (megachunks) по 30–60 т.п.н.
- Последовательная замена нативных участков генома синтетическими мегафрагментами.
Ключевые модификации дизайна: Новые хромосомы отличаются от нативных:
- Гены тРНК удалены из исходных локусов и перемещены на специализированную неохромосому.
- Удалены повторяющиеся последовательности.
- Стоп-кодон TAG заменён на TAA, что освобождает TAG для перепрофилирования (например, для включения неканонической аминокислоты).
- Каждые 10 т.п.н. и после каждого несущественного открытой рамки считывания (ORF) встроены сайты рекомбинации loxP.
Важный инструмент: Наличие сайтов loxP позволяет применять систему SCRaMbLE (synthetic chromosome rearrangement and modification by loxP-mediated evolution). Это даёт мощный инструмент для направленной эволюции и функционального анализа, позволяя генерировать множество штаммов с перестроенными генетическими локусами.
Текущие вызовы и перспективы:
- Консорциум ожидает завершения синтеза полного генома к концу года.
- Однако замена всех хромосом — нетривиальная задача: штамм с тремя заменёнными хромосомами уже демонстрирует дефекты роста, связанные с взаимодействием хромосом и функцией теломер.
- Долгосрочная цель — позволить научным лабораториям и организациям рутинно использовать «организмы на заказ».
- Стоимость синтеза всего генома S. cerevisiae оценивается в 1–1,5 млн долларов без учёта зарплат и обслуживания.
Эта работа открывает путь не только к созданию синтетических дрожжей, но и к подобным проектам для других организмов, включая растения и даже человека, что уже вызывает активные научные и этические дискуссии.