Прорыв в синтетической перестройке генома
Команда синтетической биологии из Тяньцзиньского университета (TJU) сообщила о новых методах и стратегиях перестройки генома и ускоренной эволюции дрожжевых штаммов в трёх последних исследованиях, опубликованных в Nature Communications 22 мая 2018 года.
Эти публикации являются частью работы по применению химически синтезированных дизайнерских дрожжевых хромосом. В коллекции из семи новых статей авторы представляют семь университетов из четырёх стран, включая Тяньцзиньский университет и Университет Цинхуа в Китае, Нью-Йоркский университет (NYU) и Университет Джонса Хопкинса в США, Эдинбургский университет и Имперский колледж Лондона в Великобритании, а также Потсдамский университет в Германии.
Дизайнерские дрожжевые клетки, содержащие систему SCRaMbLE (Synthetic Chromosome Rearrangement and Modification by the LoxP-Mediated Evolution), предоставляют платформу для создания генетического разнообразия. Однако ранее утечка экспрессии переключателя Cre, высокая летальность и ограниченный генетический фонд сдерживали применение SCRaMbLE. Чтобы преодолеть эти проблемы, Бин Цзя, Йи Ву и их коллеги разработали точно контролируемую систему SCRaMbLE в синтетических гаплоидных и диплоидных дрожжах.
«Контроль процесса SCRaMbLE критически важен для организмов с заданными преимуществами, поскольку утечка SCRaMbLE снижает стабильность штаммов с фиксированными фенотипами», — сказал Бин Цзя, который построил генетический логический элемент «И» на основе транскрипционного контроля промотора GAL и внутриклеточной локализации эстроген-связывающего домена. Этот элемент показал высокую надёжность без наблюдаемой утечки. В качестве доказательства концепции, контроль SCRaMbLE через этот элемент позволил увеличить выход каротиноидов, производимых в дрожжах synV.
«Удаление крупных фрагментов, содержащих жизненно важные гены, в гаплоидных дрожжах может привести к потере жизнеспособности, потенциально снижая разнообразие, генерируемое SCRaMbLE», — сказал Йи Ву, который предложил использовать SCRaMbLE в диплоидных штаммах. Эта стратегия позволила сохранить нетронутыми жизненно важные аллели в хромосомах дикого типа и успешно повысила геномное разнообразие. На основе точного контроля SCRaMbLE в диплоидных штаммах команда TJU разработала стратегию MuSIC (Multiplex SCRaMbLE Iterative Cycling), которая позволила увеличить производство каротиноидов в 38,8 раз за 5 итерационных циклов SCRaMbLE.
С коллегами из NYU Йи Ву возглавил исследование SCRaMbLE в гетерозиготных и межвидовых гибридах. В этой работе они сообщили о создании коллекции гетерозиготных диплоидов путём скрещивания синтетических дрожжевых штаммов с природными. «Такие гетерозиготные диплоидные штаммы сочетают гибкий генотип дрожжей Sc2.0 и устойчивый фенотип дрожжей дикого типа», — сказал Йи Ву. — «Это исследование устанавливает, что SCRaMbLE может управлять фенотипической эволюцией в гетерозиготных и межвидовых гибридных штаммах».
Кроме того, Йи Ву, Руй-Ин Чжу и их коллеги разработали технологию in vitro DNA SCRaMbLE для создания библиотек с вариативной структурой и оптимизации биосинтетических путей. «Эта система предоставляет прямой способ коррелировать фенотип и генотип и новую стратегию для биохимической оптимизации, она ускоряет биологические открытия и эволюцию продуктивных промышленных микробов», — сказал Йи Ву.
«Сообщённые методы SCRaMbLE потенциально являются мощным инструментом для увеличения производства биологических химикатов, а также для получения глубоких знаний», — сказал профессор TJU Ин-Джин Юань. — «Они окажутся бесценными как для академических, так и для промышленных применений». Эти открытия особенно важны, и команда синтетической биологии TJU начала новый «Длинный марш» по ускорению эволюции генома для улучшения здоровья человека, профилактики и лечения болезней, обеспечения чистой энергией и содействия устойчивой окружающей среде.