Для того чтобы синтезировать геном бактериального паразита, генетику Крейгу Вентеру (Craig Venter) потребовалось 15 лет и $40 миллионов. Теперь его коллеги сообщают о завершении нового проекта. Исследователям из Нью-Йорка впервые удалось реконструировать и воссоздать синтетическую хромосому для дрожжей вида Saccharomyces cerevisiae.
В отличие от предыдущих организмов, с которыми работали учёные, S. cerevisiae является представителем домена эукариотов, к которым принадлежат также все животные и люди. Эукариоты, обладающие ядрами клеток, имеют намного более сложный геном.
Новая синтетическая хромосома, впрочем, лишена нескольких последовательностей ДНК и других элементов. Она состоит из 272871 пары оснований, что составляет около 2,5% от общего числа пар оснований в геноме S. cerevisiae, которых насчитывают около 12 миллионов.
Как сообщают авторы нового исследования в статье, опубликованной в журнале Science, полный геном S. cerevisiae планируется восстановить в течение последующих пяти лет.
Проект стартовал несколько лет назад, когда генетик Джеф Буке (Jef Boeke), специалист по геному дрожжей из Нью-Йоркского университета, попытался воссоздать геном S. cerevisiae, но при гораздо более значительных отличиях от природного прототипа, чем это было сделано в итоге.
Тогда же группа Вентера, базирующаяся в его институте в Роквилле, штат Мэриленд, химически синтезировала короткие нити ДНК и скрепила их вместе, чтобы получить версию генома бактерии Mycoplasma mycoides, состоящего из 1,1 миллиона пар оснований. Полученный протоорганизм затем внедрили в клетку-реципиент.
Исследователи также поставили свои "водяные знаки" в нескольких последовательностях генома: клеймо содержало имена членов команды, а также несколько известных цитат. Но кроме этих небольших поправок, геном M. mycoides был полностью идентичен природному прототипу.
Тем не менее, Боуке и его коллеги полагали, что необходимо лишить организм нескольких функций, чтобы проверить их важность. Только так, по их мнению, можно было бы оправдать огромные затраты на синтез целой хромосомы.
"Я и не сомневался, что это возможно сделать. Основной вопрос состоял в том, как мы можем создать нечто отличное от нормальной хромосомы и внедрить его в живой организм?" — рассказывает Боуке.
Учёные решили не внедрять в синтетическую хромосому несколько последовательностей ДНК, например, элементы с возможностью перемещения по геному, известные как транспозоны, а также участки ДНК, которые не кодируют белки — интроны. Наравне с этим хромосому дополнили "системой преобразования" (scrambling system), которая перемешивает и удаляет гены. Таким образом стало возможным проверить точную функцию каждого участка ДНК.
Спустя некоторое время Боуке пришёл к выводу, что необходимо искать новые пути синтезирования отдельных участков ДНК. Генетик нанял команду студентов из университета Джонса Хопкинса, где читал курс лекций в 2007 году. Каждый студент строил свой собственный участок генома дрожжей, "сшивая" вместе очень короткие отрезки ДНК, созданные машиной синтеза ДНК. Получив более крупные отрезки, исследователи внедряли их в дрожжевую хромосому порой по нескольку отрезков за раз. Эта методика называется гомологичной рекомбинацией.
В конце концов этот скрупулёзный труд привёл к созданию единой полностью синтетической третьей хромосомы дрожжей S. cerevisiae.
Несмотря на все модификации, дрожжевые клетки, содержащие синтетическую хромосому, развивались и росли точно так же, как и остальные.
"Удивительно, что мы удалили, добавили и изменили более 50 тысяч из 250 тысяч пар оснований, но хромосома всё равно функционировала!" — сообщает Боуке.
Вдохновлённые успехом коллеги Боуке решили продолжить работу и предложили ещё несколько грандиозных идей. К примеру, они планируют в ближайшее время создать полноценнный синтетический геном дрожжей. Посредством такой работы можно будет "покопаться" в самых скрытых от глаз тайнах жизни, понять, что за что отвечает и как функционирует организм.
Боуке уже набирает международную команду биологов и генетиков со всего мира для создания с нуля полностью синтетического генома дрожжей. Более того, учёный утверждает, что половина последовательностей уже создана, осталось лишь завершить работу и заставить синтетическую жизнь функционировать.
"Эта работа является ещё одним ярким примером того, как синтетическая биология может быть использована, чтобы переписать последовательности хромосом в значительном масштабе. Исследование Боуке является прелюдией и демонстрирует возможность обширного рефакторинга и упорядочения других хромосом", — комментирует достижение Крейг Вентер.
Генетики отмечают в пресс-релизе, что около 6 тысяч генов, функциональных и кодирующих белки, у дрожжей и людей одинаковые. Кто знает, возможно, и синтетическая ДНК человека появится в лаборатории биологов в ближайшие десятилетия, тем более, что у людей геном далеко не самый сложный.
Также по теме:
Учёные работают над созданием синтетических дрожжей
В США учёные совершили прорыв в генетике
Знаменитый генетик приблизился к созданию синтетической жизни
Синтетические биологи готовятся найти ДНК на Марсе
Искусственная ДНК изменит мир
