Ученые переписали геном целого вида

Команда из 200 ученых со всего мира на протяжении многих лет была вовлечена в проект по созданию искусственного генома для дрожжей Sc2.0. Несколько дней тому назад исследователи объявили о получении почти 30% ключевого генома – 6 из 16 хромосом пекарских дрожжей. По их мнению, использование данной технологии означает возможность заменить треть генома организма человека, и с помощью искусственного генетического материала, например, производить медикаменты или биотопливо.

Искусственный геном для дрожжей: почему нам это интересно?

С момента открытия ДНК ученые постоянно ищут способы, с помощью которых можно воздействовать на геном человека. Переписывание генов, их исправление или создание искусственной ДНК позволило бы решить множество проблем, в частности, проблему наследственных заболеваний у людей. Естественно, пока подобные исследования проходят на модельных организмах, а точнее – микроорганизмах. Если на этом уровне удастся создать искусственный геном, то вскоре обязательно появится и технология создания животных с искусственным геномом.

Еще в 2014 году команде ученых удалось создать одну искусственную хромосому, что само по себе стало настоящим прорывом в области генной инженерии и молекулярной биологии. Исследователи создали искусственную хромосому дрожжей synIII, которая состоит из 272 871 пары оснований. В настоящее время синтезировано уже шесть таких хромосом, а к концу года ученые должны создать полный набор из 16 искусственных хромосом для одноклеточного грибка S. cerevisiae.

Как все начиналось

24 апреля 1996 года в журнале Science было опубликовано феноменальная информация о том, что ученым впервые удалось секвенировать геном эукариотических организмов (живых организмов, клетки которых содержат ядро), а именно – дрожжей Saccharomyces cerevisiae. Весь генетический материал (вся ДНК) этих микроорганизмов содержится в 16 хромосомах, которые в совокупности дают 12 миллионов пар оснований. На секвенирование (прочтение) нуклеотидной цепочки ДНК дрожжей ушло более 12 лет работы. А над проектом трудились десятки крупнейших лабораторий и институтов по всему миру.

После того, как геном был прочтен, в науке возникает новое направление – синтетическая биология. Целью данной отрасли является искусственного организма из имеющихся элементов – нуклеиновых кислот и белков. Одним из разделов синтетической биологии является синтетическая геномика. Ее задача – заново собрать геномы, которые далее послужат фундаментом для создания будущих живых синтетических организмов.

Эксперимент с дрожжами

В 2011 году в Университете Джона Хопкинса (США) был запущен проект по созданию синтетического генома, целью которого являлось получение новой версии генома пекарских дрожжей Saccharomyces cerevisiae (Sc2.0).

Почему же ученые взялись именно за дрожжи? Чем так удобны эти микроорганизмы? Вот несколько причин этого.

• У дрожжей Saccharomyces cerevisiae сравнительно небольшой геном, по сравнению с другими эукариотическими организмами.
• Saccharomyces cerevisiae являются наиболее изученными эукариотическими микроорганизмами. Ученые знают, какие именно функции выполняют те или иные гены в этих микроорганизмах. Эти знания необходимы для получения улучшенной версии генома, построенного из синтетических элементов.

Правда, геномы эукариотов очень далеки от идеальных. Так, ДНК подвержена разного рода мутациям, например, вставки и выпадения (делеции) нуклеотидов, а также удвоения участков или изменения структуры хромосом. Кроме того, в ДНК могут присутствовать неработающие гены (их называют «псевдогенами»), да и мобильные генетические элементы (ретротранспозоны), которые способны самовоспроизводиться и распространяться по всему геному организма.

Как вы понимаете, изменения в ДНК неминуемо приводят к появлению новых свойств и признаков у организмов. Однако эволюция идет другим путем. Ей иногда не свойственны принципы экономии и эффективности. Таким образом, большая часть генома эукариотических организмов состоит из ДНК, которая или «мертва», или же просто занимается бесполезным для самокопированием, которое не играет никакой существенной роли для клетки. Кроме того, ввиду большого количества повторяющихся последовательностей геном теряет в своей стабильности, что делает его более подверженным разного рода мутациям. Однако, в отличие от природы, ученые могут целенаправленно перестраивать геномы таким образом, чтобы оставалась только необходимые для жизнедеятельности участки ДНК.

Как создать геном с нуля: 5 шагов к достижению цели

Пять основных шагов по созданию искусственного генома

• Дизайн хромосом на компьютерах. Ученые редактируют уже существующий геном, вместо того, чтобы изобретать его с нуля. Поэтому они начинают с текста полностью секвенированной дрожжевой хромосомы на компьютерной программе. Большинство изменений направлены на то, чтобы сделать геномы более устойчивыми к мутациям. Таким образом, природа не будет так легко уничтожать любые изменения, которые ученые-инженеры встраивают в ДНК дрожжей.
  
  
• Проверка конструкции на работоспособность. Архитектор может нарисовать самое великолепное здание, которое может себе представить его воображение. Но если инженер говорит, что такое здание не может быть построено, то замысел так и не удастся воплотить в жизнь. Аналогичная ситуация с дизайном ДНК. Хромосомы должны быть собраны из крошечных фрагментов ДНК, и они должны склеиваться вместе в специфических точках. Или определенные фрагменты ДНК просто не будут слипаться во время сборки.
  
  
• Изготовление ДНК. Каждая из 16 дрожжевых хромосом может содержать 100000 пар оснований ДНК. Но нет «принтера» ДНК, который мог бы отлично напечатать это множество в устойчивую цепь. Поэтому ученые должны производить ДНК небольшими фрагментами - 60 или 100 пар оснований. Затем сотрудники лаборатории могут собрать около 10 или более таких кусков в ДНК-фрагменты на 600 пар оснований. Затем они склеивают эти большие куски вместе - и так далее - до тех пор, пока у них не будут большие цепочки в 10 000 пар оснований.
  
  
• Заменить природные хромосомы синтетическими. Затем новая синтетическая хромосома вставляется в куски созданной ДНК. Если какой-либо элемент убивает клетку, то ученые знают, что именно в этом разделе генетического кода есть проблема.
  
  
• Объединение всех синтетических хромосом в одну клетку дрожжей. Предыдущие четыре шага - это то, что требуется, чтобы произвести одну хромосому, а у дрожжей их 16. Какое-то время каждая из этих 16 хромосом будет жить в отдельном штамме дрожжей. То есть, одна дрожжевая клетка будет иметь синтетическую версию «хромосомы 1», а остальная часть будет естественной. Другая будет иметь синтетическую версию только «хромосомы 2» и т. д.

Что дает ученым построение искусственного генома

Зададимся вопросом. Зачем же это все ученым? Какова выгода от создания искусственного генома микроорганизмов? Этот проект имеет два основных преимущества.

• Это помогает ученым понять основы жизни. «Если вы знаете, как работает радио, вы должны уметь разобрать его и собрать заново», - говорит Сара Ричардсон – ведущий ученый в области синтетической биологии, который работает на проектом по созданию искусственных хромосом дрожжей. То же самое касается и генетики. Уже сейчас команда получила серьезные представления о том, какие гены дрожжей необходимы для поддержания их жизнеспособности и какие являются вирусными. Путем проб и ошибок ученым многое удалось понять. В частности, стало понятно, что небольшие изменения в генетическом коде отличает живую клетку от мертвой.
  
  
• Это открывает путь для дальнейшего конструирования генетически модифицированных дрожжей. Если вы думаете о дрожжах как о фабрике, то ее геном - это операционная система. Генетически сконструированные дрожжи станут хорошо работающей платформой для создания дополнительных функций, таких как производство биотоплива или производство фармацевтических препаратов. Как известно, дрожжи чрезвычайно полезны. Пивовары используют их для превращения сахара в спирт. Пекари используют их, чтобы приготовить воздушный, нежный хлеб. Если ученые смогут перестроить дрожжи с нуля, они могут научить их еще нескольким трюкам. В частности, ученые разработали некоторые новые функции генома. Одна из них сводится к тому, что ученые смогут мгновенно превратить созданный синтетический геном в миллион новых форм. Это позволит, например, производить более высокие концентрации алкоголя из сахара (что полезно при производстве биотоплива или спиртных напитков). Другие могут быть более «ловкими» в разрушении некоторых белков, что очень важно.

Вопросы, ответы, комментарии