Создание хромосом с нуля: проект «Геном в коробке»

Исследователи из Делфтского технического университета (Энтони Бирни и Сеес Деккер) запустили проект «Геном в коробке». Его цель — собрать функционирующую хромосому снизу вверх, начиная с чистой ДНК.

Подход и технология

Вместо синтеза ДНК с нуля учёные предлагают взять выделенную из клеток ДНК размером с геном, лишённую белков, и последовательно добавлять к ней организующие элементы в микрофлюидном устройстве:

1. Гистоны — формируют нуклеосомы («бусы на нитке»), упаковывая участки ДНК по ~200 пар оснований.
2. SMC-белки (когезин, конденсин) — создают петли ДНК, втягивая её со скоростью 2000 п.н./с с силой около пиконьютона.
3. Домены TAD — образуются путём объединения петель (у млекопитающих ~880 т.п.н.).
4. Эпигенетические маркеры — определяют активные (эухроматин) и репрессированные (гетерохроматин) зоны.
5. Топоизомеразы — регулируют топологию, снимая суперспирализацию, создаваемую полимеразами.

В статье в ACS Nano авторы опираются на принципы фазового разделения и физики полимеров, надеясь, что такой in vitro подход раскроет природу хромосом лучше, чем современные методы визуализации.

Проблемы и реалистичные цели

В живой клетке описанные процессы часто происходят одновременно и нелинейно. Поэтому начать предлагается с более простых систем:

• Митохондриальная ДНК (мтДНК) — всего ~16 600 п.н., уже есть успехи в создании искусственных нуклеоидов in vitro.
• Минимальный реплисом — с белками Twinkle (хеликаза), POLγ (полимераза) и mtSSB удалось синтезировать цепи до ~16 т.п.н.

Для сравнения: наименьшая хромосома человека (21-я) содержит 48 миллионов п.н.

Теоретические ограничения и будущее

Ключевой вопрос: достаточно ли информации в последовательности ДНК и эпигенетических метках для сборки правильной хромосомы с нуля? Или необходим существующий шаблон?

• Множественность решений — возможны многие конфигурации, а не одна оптимальная.
• Взаимодействие хромосом — в клетке они влияют друг на друга на разных стадиях цикла и развития (например, в сперматогенезе гистоны заменяются протаминами).
• Проблема стадии — какую именно хромосому (на какой стадии развития) пытаться создать?

Эти вопросы выходят за рамки реконструкции известных геномов (например, мамонта) и касаются создания совершенно новых существ (например, дракона). Теоретически, можно спроектировать такую форму, но сможет ли её ДНК упаковаться в стабильные, жизнеспособные хромосомы — открытый вопрос.

Проект «Геном в коробке» — это первый шаг к пониманию того, можно ли собрать хромосому только из последовательности и белков, или для этого необходима живая клеточная среда.