Созданы пять новых полностью искусственных хромосом дрожжей
Международная исследовательская группа создала пять новых синтетических хромосом дрожжей. Теперь 30% генетического материала ключевого организма заменено на сконструированные аналоги. Это одно из достижений, описанных в семи статьях, опубликованных 10 марта на обложке журнала Science.
Работу возглавил генетик из NYU Langone Джеф Бёке (Jef Boeke), PhD, в соавторстве с более чем 200 учеными. Публикации стали новым этапом проекта Synthetic Yeast Project (Sc2.0). К концу этого года международный консорциум планирует спроектировать и создать синтетические версии всех 16 хромосом одноклеточного микроорганизма — пекарских дрожжей (S. cerevisiae).
Ученые, подобно программистам, добавляют или удаляют участки синтетической ДНК в хромосомах человека, растений, бактерий или дрожжей, чтобы предотвратить болезни, производить лекарства или повысить питательную ценность пищи. Пекарские дрожжи — важная модель для исследований, так как их клетки имеют много общего с человеческими, но проще для изучения.
«Эта работа закладывает основу для создания полных синтетических геномов под заданные нужды в медицине и промышленности», — говорит Бёке. — «Помимо конкретных приложений, статьи подтверждают, что новые системы и программное обеспечение могут отвечать на фундаментальные вопросы о природе генетического аппарата, перепрограммируя хромосомы в живых клетках».
В марте 2014 года проект Sc2.0 успешно собрал первую синтетическую хромосому дрожжей (синтетическую хромосому 3, или synIII) длиной 272 871 пар оснований. Новый пакет статей включает обзорную работу и пять статей, описывающих сборку синтетических хромосом дрожжей synII, synV, synVI, synX и synXII. Седьмая статья впервые описывает 3D-структуру синтетических хромосом в клеточном ядре.
Многие технологии, разработанные в Sc2.0, легли в основу инициативы GP-write, которая ставит целью синтез полных наборов хромосом (геномов) человека и растений в течение следующих десяти лет.
Глобальное производство
Перед синтезом хромосомы исследователи планируют тысячи изменений. Некоторые из них позволяют перемещать части хромосом, ускоряя эволюцию. Другие изменения удаляют участки ДНК, которые, как показали прошлые работы, вряд ли несут функциональную роль. Затем можно отбирать библиотеки измененных штаммов дрожжей для поиска полезных признаков.
После внесения правок команда начинает собирать отредактированные синтетические последовательности ДНК во всё более крупные фрагменты, которые затем вводят в дрожжевые клетки, где клеточные механизмы завершают построение хромосомы. Ключевое нововведение, описанное в текущих статьях, касается именно этого последнего шага.
Ранее исследователям приходилось завершать сборку одного фрагмента хромосомы, прежде чем начать работу над следующим. Такие последовательные требования создают «узкие места», замедляя процесс и увеличивая стоимость, отмечает Бёке. В новых работах описаны методы «параллелизации» сборки синтетических хромосом.
Лаборатории по всему миру синтезировали разные фрагменты в различных штаммах дрожжей, которые затем скрещивали для быстрого получения жизнеспособных дрожжей не только с целой синтетической хромосомой, но в некоторых случаях — с несколькими. В частности, в статье под руководством Лесли Митчелл (Leslie Mitchell), PhD, из лаборатории Бёке, описано создание штамма, содержащего три синтетические хромосомы.
«Шаги можно выполнять одновременно во многих местах, а затем собрать результат воедино, подобно объединению ноутбуков в глобальный суперкомпьютер», — говорит Митчелл.
В процессе работы глобальная команда усовершенствовала ряд методов и лучше поняла биологию дрожжей. Например, команда из Университета Цинхуа возглавила работу, в которой шесть групп построили фрагменты синтетической хромосомы XII (synXII), которые затем были собраны в окончательную молекулу длиной более миллиона пар оснований (мегабаза). Эта крупнейшая на сегодня синтетическая хромосома всё ещё в 3000 раз меньше, чем потребовалось бы для создания молекулы генома человека, поэтому нужны новые методы.
Эксперименты также показали, что в геном дрожжей можно вносить радикальные изменения, не убивая их, говорит Бёке. Например, штаммы дрожжей выживали после переноса участков ДНК с одной хромосомы на другую или даже при обмене между видами дрожжей, с минимальными последствиями. Генетически пластичные организмы — хорошая платформа для масштабной инженерии, которая может потребоваться для будущих приложений.
В создании семи новых статей участвовали авторы из десяти университетов нескольких стран, включая США (NYU Langone, Johns Hopkins), Китай (Тяньцзинь, Цинхуа), Францию (Institut Pasteur, Sorbonne Universités) и Шотландию (Эдинбург); а также ключевые индустриальные партнеры: ведущая китайская геномная организация BGI, американо-китайская компания Genescript и WuXi Qinglan Biotechnology, Inc.
Статья, описывающая синтез SynV под руководством Школы химической инженерии и технологий Тяньцзиньского университета в Китае, примечательна тем, что работа была выполнена студентами бакалавриата в рамках курса «Build-a-Genome China», впервые организованного в США в Университете Джонса Хопкинса, где Бёке работал до перехода в NYU Langone. Это часть формирующейся глобальной сети «хромосомных фабрик», говорит Бёке, «которая создает следующее поколение синтетических биологов вместе с хромосомами».