Голям международен екип биолози оповести завършването на работата си над 6 от общо 16-те хромозоми на изкуствени дрожди - едноклетъчни гъби, предизвикващи алкохолна ферментация.
Учените са успели не само химически да синтезират една трета от генома на първия организъм, който е еукариот, тоест чиито клетки имат ядра, каквито са всички животни, растения, гъби и по-сложни едноклетъчни.
Освен това генните инженери са успели и малко да "почистят" и да направят по-компактен генома, както и да направят промени, които да улеснят по-нататъшно манипулиране на синтетичните дрожди, съобщи Nature.
Докладът за проучването и резултатите от работата са публикувани в седем статии, публикувани в специален брой на списание Science (списъкът на статиите може да видите най-долу).
Значителният спад в цената на химичния синтез на ДНК през последните 20-30 години открива за биолозите потенциална възможност не само да се извършват точкови намеси в генома чрез конвенционалните методи на генното инженерство, но също така и да се пренапишат геноми "от нулата". Този подход позволява да се внесат в ДНК много по-глобални и дълбоки промени. Например, по този начин може да бъде напълно изрязан "боклука" или нежеланите последователности, да се пренаредят гените, да се поставят специални маркери по протежение на ДНК, за да се улеснят последващите манипулации или даже глобално да се модифицира генетичния код.
Това е пореден успех на "синтетичната биология", която има за цел да разработи система от генетични "резервни части" на базата на нови синтетични организми.
Вече има известен напредък в тази посока. През 2003 г. екипът на Крейг Вентър (Craig Venter) успя да сглоби първия напълно синтетичен геном на вирус (бактериофаг φX174), през 2010 г. същите изследователи синтезират генома на бактерията Mycoplasma mycoides, а през март миналата година биолозите представиха "минимална" версия този организъм, от който са изхвърлени почти всички "излишни" последователности.
Но настоящите постижения в технологиите за синтез и сглобяване на геноми изпреварва напредъка в разбирането на механизмите на тяхната работа. Така в генома на същата минимална синтетична бактерия Mycoplasma mycoides има 149 от общо 473 гени, необходими за живот, чиято функция все още не е позната напълно. При това става дума именно за липса на доказани познания на функциите на самите гени, за механизмите за регулиране на тяхната работа или организацията на некодиращите последователности в генома, за тях авторите на този "изкуствен живот" знаят дори по-малко. Но даже това, което се случва на този етап просто "копиране от природата" може да даде изцяло нова биологична информация, която ще бъде незаменима за последващото рационално моделиране на живи системи.
Международната колаборация Sc2.0, чиито статии бяха публикувани в специалния брой на Science, си е поставила още по-амбициозна технически задача от тази на проекта на Вентър. Става дума за пълен синтез на генома на дрожди - в него се вместват почти десет пъти повече гени от минимизирания вариант на Mycoplasma. Изборът на дрождите като цел на проекта се дължи на факта, че от всички ядрени организми те имат един от най-малките геноми и че дрождите са добре проучена и лесно за манипулиране моделна система, а и дрождите са едни от важните за икономиката микроорганизми.
Освен това организацията на генома, възможността за синтез на протеини и общата структура на клетките на бактериите и еукариотите е много различна. Затова новата работа по синтез на еукариотен организъм се различава много и по технологии и по резултати.
Цветна сканирана електронна микрограма на дрожди, традиционно отглеждани в лаборатория. Досега учените са успели да синтезират 6 от 16 хромозоми на дрождите от нулата и смятат, че ще успеят да заменят всичките 16 хромозоми през 2018 г. /Dennis Kunkel Microscopy/Science Source
Работата по създаването на изкуствени дрожди в проект Sc2.0 е разделена между изследователските центрове по отделни хромозоми. Синтезът се осъществява по следния начин - олигонуклеотидите се сглобяват с помощта на полимеразна верижна реакция на участъци с размер 10 хиляди нуклеотиди, а след това се съединяват в "мегаучастъци"с 3-6 пъти по-голяма дължина. Тези "мегаучастъци", всеки от които носи специален (ауксотрофен) маркер за отбор, а след това се добавя в генома на дрождите.
Уникалното свойство на дрождите, което улеснява съществено промените в техния геном е, че за клетките на дрождите е достатъчно наличието на хомоложни последователности на краищата на фрагмент на ДНК, за да се вмъкне този фрагмент в генома в хода на хомоложната рекомбинация. Постепенно въвеждайки в генома по един "мегаучастък" учените в момента успяха напълно да заместят с изкуствените копия шест и половина от 16-те хромозоми на хомоложния набор на дрождите. Засега всяка от тези хромозоми "живее" отделно в своя щам, но учените вече са тествани своя метод на обединение в един напълно изкуствен набор.
Що се отнася до промените, които отличават изкуствения геном, те могат да бъдат разделят на няколко групи. На първо място, това е техническите подобрения - учените поставиха по продължение на генома посадки на ендонуклеази, което позволява удобно да се манипулира ДНК, въведоха набор от маркери, които позволяват да се контролира монтажа на геном по полимеразна верижна реакция и е добавена серия сайтове за Cre-рекомбиназа, което позволява точково да се изрязват всички интересуващи изследователите гени.
Второ, това е промяна на генетичния код - от целия нов геном изследователите са отстранили един от стоп кодоните, което води до напълно свободен триплет, който може да се използва, например, за въвеждане на изкуствени аминокиселини в протеина. На трето място, са изтрити от генома ненужните гени на транспортната РНК, както и почти всички интрони или нечетливи ДНК фрагменти - при дрождите, за разлика от другите еукариоти, почти няма интрони. Всички тези промени са планирани и организирани предварително, заради което е създадена специална софтуерна среда, BioStudio, пусната на свободен достъп.
Понастоящем последователността на целия геном е изчислена, методът на сглобяване на фрагментите е тестван и върви техническата работа по синтеза на останалите две трети от генома. Общият му размер ще бъде 11,35 милиона нуклеотида - малко по-малко, отколкото на естествения от 12 милионна геном.
В синьо са показани вече готовите хромозоми, в жълто - осталите. Дължината на ивиците съответства на дължината на хромозомата, за всяка е указан отговорния институт. Richardson, S.M., Science, 2017
-
et al. Science 355, 1040–1044 (2017).
-
et al. Science http://dx.doi.org/10.1126/science.aaf4597 (2017).
-
et al. Science http://dx.doi.org/10.1126/science.aaf4831 (2017).
-
et al. Science http://dx.doi.org/10.1126/science.aaf4706 (2017).
-
et al. Science http://dx.doi.org/10.1126/science.aaf4704 (2017).
-
et al. Science http://dx.doi.org/10.1126/science.aaf3981 (2017).
-
et al. Science http://dx.doi.org/10.1126/science.aaf4791 (2017).
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари