Как собрать геном: Учёные выпустили руководство по созданию синтетической жизни

Ведущие специалисты в области синтетической биологии поделились ценным опытом, полученным за десятилетие работы над созданием первого в мире синтетического эукариотического генома, в статье для Nature Biotechnology. Их выводы могут ускорить разработку следующего поколения сконструированных организмов — от устойчивых к изменению климата культур до клеточных фабрик.

«Мы собрали всеобъемлющий обзор литературы о том, как создать живой организм, где рассматриваем, что пошло правильно, но и что пошло не так», — говорит ведущий автор статьи, доктор Пейдж Эрпф.

Проект «Синтетический геном дрожжей» (Sc2.0) представлял собой крупный глобальный консорциум из более чем 200 исследователей, которые совместно работали над перепроектированием и химическим синтезом с нуля всех 16 хромосом пекарских дрожжей.

Переписывание чертежа

В отличие от традиционной генной инженерии, которая вносит изменения в существующие геномы, Sc2.0 стал первым проектом по полной перезаписи всего генома — всех 12 миллионов пар оснований.

«Завершение всех 16 синтетических хромосом позволяет нам понять функцию генома в масштабе, который был просто невозможен раньше», — говорит профессор Ян Полсен.

Хромосомы собирались крупными фрагментами, содержащими тысячи пар оснований, а затем поэтапно интегрировались в живые дрожжевые клетки, полагаясь на собственные клеточные механизмы дрожжей для «сшивания» синтетических частей.

Уроки ошибок

Несмотря на стандартизированные принципы проектирования, каждая исследовательская группа сталкивалась с похожими проблемами. Статья систематизирует эти «баги», предлагая будущим синтетическим биологам дорожную карту того, чего следует избегать.

• Крошечные молекулярные «водяные знаки», спроектированные как молчащие, иногда неожиданно нарушали функцию генов.
• Некоторые гены, помеченные как несущественные, при удалении вызывали серьёзные проблемы с ростом.
• Дрожжи не могут регенерировать митохондриальные геномы с нуля, поэтому любое повреждение требовало от исследователей операции по генетическому спасению.

Команды разработали и поделились сложными инструментами отладки, такими как «Pooled PCRtag Mapping» и «CRISPR D-BUGS».

«Самыми сложными задачами были как психологические, так и технические: долгий путь десятилетнего проекта, где прогресс мог казаться мучительно медленным, и сложность работы с клетками, которые были нежизнеспособны и с трудом росли», — говорит доктор Хью Гулд.

Следующее поколение культур

Уроки, извлечённые из работы с дрожжами, уже используются в новых смелых проектах. Команда под руководством доктора Бриардо Лоренте и профессора Яна Полсена начала работу над созданием первой в мире синтетической хромосомы сельскохозяйственной культуры.

Поскольку растения растут медленно и их гораздо сложнее модифицировать, чем дрожжи, в проекте используется оригинальный подход: сначала построить синтетические растительные хромосомы внутри дрожжевых клеток, а затем перенести вновь созданную хромосому в клетки растения.

«Подход "обучение через создание", принятый консорциумом Sc2.0, дал нам невероятное понимание генетики, которого мы, возможно, не достигли бы, используя исторические пошаговые подходы», — говорит доктор Гулд.

Но самые важные уроки этого проекта, возможно, ещё впереди.

«Помещение всей синтетической ДНК в одну клетку станет знаменательным событием и приведёт к ещё более глубокому пониманию биологии, лежащей в основе нашей окружающей среды, продовольственных систем и лекарств», — заключает доктор Гулд.