Rewolucjonizuje biologię: półsyntetyczny genom drożdży odkrywa nowe horyzonty w inżynierii genetycznej

Syntetyczne DNA może wydawać się science fiction, ale szybko staje się rzeczywistością. Naukowcy stworzyli komórkę drożdży zawierającą ponad 50% sztucznego genomu, w tym pierwszy na świecie w pełni sztuczny chromosom.

Naukowcy już wcześniej stworzyli sztuczne genomy bakterii i wirusów, ale kolejnym krokiem były eukarionty, czyli komórka, w której cały genom znajduje się w jądrze otoczonym błoną. Naturalnym wyborem mogły być w tym przypadku drożdże, takie jak drożdże piekarskie (Drożdże winiarskie) ma zwarty genom składający się tylko z 16 chromosomów i ma wrodzoną zdolność łączenia DNA.

Jednakże badacze zaangażowani w projekt Syntetyczny genom drożdży (Sc2.0) chcieli zrobić coś nieco innego niż zwykłą syntezę DNA, nadając drożdżom „projektant” genom. „Zdecydowaliśmy, że ważne jest wyprodukowanie czegoś, co byłoby bardzo ściśle zmodyfikowane przez projekt natury” – powiedział w artykule główny autor i kierownik Sc2.0, Jeff Buckey. oświadczenie. „Naszym nadrzędnym celem było zbudowanie drożdży, które mogłyby nauczyć nas nowej biologii”.

Tworzenie sztucznego genomu

Zespół najpierw usunął z genomu tak zwane „śmieciowe” DNA i zastąpił je świeżymi fragmentami DNA, aby pomóc w rozróżnieniu genów syntetycznych od oryginalnych, a następnie przetasował kolejność genów. Trzeba było także dokonać innego ważnego usunięcia – genów tRNA.

Chociaż kodowane przez nie białka odgrywają kluczową rolę wewnątrz komórek, geny tRNA powodują również niestabilność genomu drożdży. W rewolucyjnym kroku naukowcy usunęli je i przenieśli na zupełnie nowy „nowy chromosom” oparty na genach t-RNA. „Nowy chromosom tRNA to pierwszy na świecie całkowicie sztuczny chromosom” – powiedział współautor Patrick Yezi Cai. „W przyrodzie nie ma czegoś takiego”.

Wraz z nowym chromosomem badacze złożyli każdy chromosom niezależnie, a następnie stworzyli 16 częściowo sztucznych szczepów drożdży, z których każdy zawierał 15 normalnych i jeden sztuczny chromosom.

Złóż kawałki razem

Potem przyszła najtrudniejsza część: zebranie wszystkich sztucznych chromosomów w jedną komórkę drożdży. Wiązało się to z połączeniem klasycznej techniki genetycznej – hybrydyzacji – i kilku zupełnie nowych podejść. Hybrydyzacja była powolna i chociaż powstałe drożdże zawierały ponad 30% syntetycznych genomów, badacze szukali więcej.

Po zastosowaniu nowej metody zwanej wymianą chromosomów i technologii podobnej do CRISPR/Cas9 do naprawy defektów genetycznych udało im się uzyskać pojedynczą komórkę drożdży zawierającą ponad 50% syntetycznego DNA. Manipulacja genomem mogła spowodować, że drożdże urosną lub będą wyglądać nienormalnie, ale dzięki starannej produkcji drożdże przetrwały i rozmnażały się podobnie jak drożdże dzikie.

„Zespół przepisał teraz system operacyjny pączkujących drożdży, otwierając nową erę biologii inżynieryjnej – przechodząc od majsterkowania przy kilku genach do projektowania i budowania całych genomów od nowa” – powiedziała Kay.

Następne kroki

Drożdże od dawna są podstawą produkcji żywności i napojów – dzięki niemu mamy porządny chleb i piwo, wszyscy mówią „Dziękuję, drożdże” – a także w nauce, do produkcji środków chemicznych i jako organizm modelowy. Stosując syntetyczne DNA, możemy poczynić wiele postępów w tych obszarach, jak wyjaśnił w swoim artykule Ben Blunt, jeden z czołowych naukowców. oświadczenie.

„Sztuczne chromosomy same w sobie są ogromnym osiągnięciem technicznym, ale otworzą także szereg nowych możliwości w zakresie badania i stosowania biologii. Może to obejmować tworzenie nowych szczepów drobnoustrojów na rzecz bardziej ekologicznej bioprodukcji, aż po pomoc w zrozumieniu i kontrolowaniu chorób .”

Następnym krokiem będzie połączenie wszystkich 16 sztucznych chromosomów w jedną komórkę drożdży. Nie jest to łatwe, ale badacze są optymistami. „Jesteśmy teraz daleko od mety, czyli posiadania wszystkich 16 chromosomów w jednej komórce” – powiedział Bucky.

„Lubię nazywać to końcem początku, a nie początkiem końca, ponieważ wtedy naprawdę będziemy mogli zacząć mieszać tę powierzchnię i produkować drożdże, które będą mogły robić rzeczy, jakich nigdy wcześniej nie widzieliśmy”.

Badanie zostało opublikowane w czasopiśmie komórka.