Дрожжи с более чем на 50% синтетическим геномом созданы в лаборатории

Исследователи объединили более семи синтетических хромосом, созданных в лаборатории, в единую дрожжевую клетку. Полученный штамм, содержащий более 50% синтетической ДНК, выживает и размножается аналогично природным дрожжевым штаммам.

Команда представляет полусинтетические дрожжи 8 ноября в журнале Cell в рамках серии статей в Cell, Molecular Cell и Cell Genomics, посвящённых проекту Synthetic Yeast Genome Project (Sc2.0). Этот глобальный консорциум работает над созданием первого синтетического генома эукариота с нуля. На данный момент команда синтезировала и отладила все шестнадцать хромосом дрожжей.

Цель проекта — создание «дизайнерского» генома

Мотивация проекта — понять фундаментальные принципы устройства генома, создавая синтетические геномы. Хотя бактериальные и вирусные геномы синтезировались ранее, это будет первый синтетический геном эукариота, что усложняется наличием множественных хромосом. Синтетические дрожжи также представляют собой «дизайнерский» геном, существенно отличающийся от природного генома Saccharomyces cerevisiae (пекарских дрожжей), на котором он основан.

Исследователи удалили участки некодирующей ДНК и повторяющиеся элементы («мусорную» ДНК), добавили новые фрагменты ДНК для лёгкого различения синтезированных и природных генов и внедрили встроенный генератор разнообразия «SCRaMbLE», который перемешивает порядок генов внутри и между хромосомами.

Создание стабильности: неохромосома тРНК

Для повышения стабильности генома команда удалила многие гены, кодирующие транспортную РНК (тРНК), и переместила их в совершенно новую «неохромосому», состоящую только из генов тРНК. Эта тРНК-неохромосома является первой в мире полностью de novo синтетической хромосомой; подобного не существует в природе.

Сборка хромосом в единую клетку

Поскольку геном дрожжей организован в 16 хромосом, исследователи начали с независимой сборки каждой хромосомы, создав 16 частично синтетических штаммов, каждый из которых содержал 15 природных и одну синтетическую хромосому. Следующей задачей стала комбинация этих синтетических хромосом в одной дрожжевой клетке.

Изначально для этого использовался медленный метод, напоминающий скрещивание гороха Менделя: частично синтетические штаммы скрещивали, а затем среди потомства искали особи, несущие обе синтетические хромосомы. Постепенно в одну клетку были объединены все ранее синтезированные хромосомы — шесть полных хромосом и одно плечо хромосомы. Полученный штамм был более чем на 31% синтетическим, имел нормальную морфологию и демонстрировал лишь незначительные дефекты роста.

Для более эффективного переноса хромосом между штаммами был разработан новый метод — хромосомная замена. В качестве доказательства концепции с его помощью перенесли новую синтетическую хромосому (хромосому IV, самую большую из всех), что привело к созданию дрожжевой клетки с 7.5 синтетическими хромосомами, которая является более чем на 50% синтетической.

Отладка генома и будущее проекта

При консолидации синтетических хромосом в одном штамме команда обнаружила несколько генетических дефектов или «багов», которые были невидимы в штаммах только с одной синтетической хромосомой. Некоторые из них были вызваны совокупным эффектом множества мелких дефектов, другие — генетическими взаимодействиями между генами на разных синтетических хромосомах. Исследователи смогли картировать и исправить несколько таких багов, повысив жизнеспособность дрожжей с помощью метода на основе CRISPR/Cas9.

Следующим шагом будет интеграция оставшихся синтетических хромосом. Этот этап рассматривается как «конец начала», поскольку после завершения сборки полного генома откроются возможности для принципиально новых манипуляций и создания дрожжей с ранее невиданными функциями.