Глобальная исследовательская группа создала пять новых синтетических хромосом дрожжей, а это означает, что 30 процентов генетического материала ключевого организма теперь заменены искусственными заменителями. Это один из нескольких выводов пакета из семи статей, опубликованных 10 марта в качестве обложки журнала Science.
Во главе с генетиком из Нью-Йоркского университета Лангоне Джефом Бёке, доктором философии, и командой из более чем 200 авторов, публикации являются последними из проекта синтетических дрожжей (Sc2.0). К концу этого года этот международный консорциум надеется спроектировать и построить синтетические версии всех 16 хромосом - структур, содержащих ДНК - для одноклеточного микроорганизма пекарских дрожжей (S. cerevisiae).
Как и компьютерные программисты, ученые добавляют участки синтетической ДНК к хромосомам человека, растений, бактерий или дрожжей или удаляют их фрагменты в надежде предотвратить болезни, производить лекарства или делать пищу более питательной. Пекарские дрожжи долгое время служили важной исследовательской моделью, потому что их клетки имеют много общего с клетками человека, но их проще и легче изучать.
«Эта работа готовит почву для завершения дизайнерских синтетических геномов для удовлетворения неудовлетворенных потребностей в медицине и промышленности», - говорит Бёке, директор Института системной генетики Лангоне при Нью-Йоркском университете. «Помимо любого приложения, документы подтверждают, что недавно созданные системы и программное обеспечение могут ответить на основные вопросы о природе генетического механизма путем перепрограммирования хромосом в живых клетках."
В марте 2014 года Sc2.0 успешно собрал первую синтетическую хромосому дрожжей (синтетическая хромосома 3 или synIII), состоящую из 272 871 пары оснований, химических единиц, составляющих код ДНК. Новый цикл статей состоит из обзора и пяти статей, описывающих первую сборку синтетических дрожжевых хромосом synII, synV, synVI, synX и synXII. В седьмой статье представлен первый взгляд на трехмерные структуры синтетических хромосом в клеточном ядре.
Многие технологии, разработанные в Sc2.0, служат основой для GP-write, родственной инициативы, направленной на синтез полных наборов хромосом (геномов) человека и растений в ближайшие десять лет. GP-write проведет свою следующую встречу в Нью-Йорке 9-10 мая 2017 года.
Мировое производство
Чтобы начать синтез хромосомы дрожжей, исследователи должны сначала спланировать тысячи изменений, некоторые из которых позволяют им перемещать части хромосом в своего рода быстрой, мощной эволюции. Другие изменения удаляют участки кода ДНК, которые, как было установлено в прошлом, вряд ли будут играть функциональную роль. Затем можно просмотреть библиотеки измененных штаммов дрожжей, чтобы определить, какие из них обладают наиболее полезными свойствами.
После внесения изменений команда начинает собирать отредактированные синтетические последовательности ДНК во все более крупные фрагменты, которые, наконец, вводятся в дрожжевые клетки, где клеточный механизм заканчивает построение хромосомы. Основное новшество, отраженное в текущем раунде статей, касается этого последнего шага.
Ранее исследователи должны были закончить построение одной части хромосомы, прежде чем они могли начать работу над следующей. По словам Бёке, последовательные требования - это узкие места, которые замедляют процессы и увеличивают затраты. В текущем раунде статей представлены несколько попыток «распараллелить» сборку синтетических хромосом.
Лаборатории по всему миру синтезировали разные части штаммов дрожжей, которые затем скрещивали (скрещивали) для быстрого получения процветающих дрожжей не только с целой синтетической хромосомой, но в некоторых случаях и с более чем одной. В частности, в статье, подготовленной автором Лесли Митчелл, доктором философии, постдокторантом из лаборатории Бёке в Нью-Йоркском университете в Лангоне, описана конструкция штамма, содержащего три синтетические хромосомы.
«Шаги можно выполнять одновременно во многих регионах, а затем собирать в конце, как сетевые ноутбуки, для создания глобального суперкомпьютера», - говорит Митчелл.
Попутно глобальная команда усовершенствовала ряд инноваций и лучше поняла биологию дрожжей. Команда из Университета Цинхуа, например, возглавила работу, в ходе которой шесть команд построили по частям синтетическую хромосому XII (synXII), которая затем была собрана в окончательную молекулу длиной более миллиона пар оснований (мегаоснование). Эта самая большая синтетическая хромосома на сегодняшний день составляет 1/3000 от того, что потребуется для построения молекулы генома человека, поэтому потребуются новые методы.
Кроме того, эксперименты показали, что радикальные изменения могут быть внесены в геномы дрожжей, не убивая их, говорит Бёке. Штаммы дрожжей, например, выдержали эксперименты, в которых фрагменты кода ДНК перемещались с одной хромосомы на другую или даже менялись местами между видами дрожжей, но без особого эффекта. Генетически гибкие (пластичные) организмы являются хорошей платформой для драматической инженерии, которая может понадобиться для будущих приложений.
В пакете из семи новых публикаций были авторы из десяти университетов из нескольких стран, включая США (NYU Langone, Johns Hopkins), Китай (Тяньцзинь, Цинхуа), Францию (Institut Pasteur, Sorbonne Universités) и Шотландию (Эдинбург); вместе с авторами из ключевых отраслевых партнеров: BGI, ведущей китайской организации в области геномики, компании Genescript, базирующейся в США и Китае, и WuXi Qinglan Biotechnology, Inc.
Под руководством Школы химического машиностроения и технологий Тяньцзиньского университета в Китае, статья, описывающая синтез SynV, примечательна тем, что она была сделана студентами бакалавриата в рамках проекта «Build-a-Genome China», класс впервые преподавался в Соединенных Штатах в Университете Джона Хопкинса, где Бёке работал до прихода в Нью-Йоркский университет в Лангоне. Это часть формирующейся глобальной сети «хромосомных заводов», - говорит Бёке, - «которые вместе с хромосомами создают следующее поколение синтетических биологов».
В дополнение к Боеке и Митчеллу ведущими организаторами текущих исследований были Ин-Цзинь Юань из Тяньцзиньского университета, Цзюньбяо Дай из Университета Цинхуа, Джоэл Бадер из Университета Джонса Хопкинса, Ромен Косул из Института Пастера, Ичжи Цай из Университета Цинхуа. Эдинбургский университет и Хуанмин Ян в BGI. Исследования в США поддерживались главным образом Национальным научным фондом. Другими ключевыми источниками финансирования были Китайская национальная программа исследований и разработок в области высоких технологий, Министерство науки и технологий Китайской Народной Республики, Национальный фонд естественных наук Китая, Совет по исследованиям в области биотехнологии и биологических наук Великобритании и ERASynBio.